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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Leiter mit einer den elektrischen Leiter umgebenden Isolierung, eine elektronische Baugruppe mit einem ein elektronisches Bauelement kontaktierenden elektrischen Leiter und ein Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Baugruppe.
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Insbesondere betrifft die Erfindung die Kontaktierung von vergossenen oder durch Molding verkapselten Halbleiter-Leistungsmodulen, bei denen die Kontaktierung durch auf der Oberseite des Moduls herausgeführte Kontakte bewirkt wird. Diese geschieht überwiegend durch Einbringen eines in der Höhe genau an die Gehäusehöhe angepassten Kontaktkörpers, der auf dem Substrat durch ein übliches Verbindungsverfahren angebracht ist - siehe beispielsweise das aus der
DE 10 2015 120 109 B4 bekannte Leistungshalbleitermodul mit einer einen Leistungshalbleiter bedeckenden Glob-Top-Vergussmasse.
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Das Herausführen von Kontakten auf die Oberseite von Leistungsmodulen weist den Vorteil sehr kurzer Strompfade und Kontaktlängen auf, sodass sich ein niederinduktives Schaltungslayout und ein direktes Ansteuern von schnellschaltenden Leistungshalbleitern realisieren lassen.
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Allerdings stellt das Einbringen eines in der Höhe genau an die Gehäusehöhe angepassten elektrischen Leiters, der auf einem elektronischen Bauelement mittels eines üblichen Verbindungsverfahren angebracht ist, eine Herausforderung dar, weil Toleranzschwankungen nicht kompensiert werden können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen elektrischen Leiter bzw. eine elektronische Baugruppe mit elektrischem Leiter bzw. ein Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Baugruppe mit einem elektrischen Leiter bereitzustellen, mit deren Hilfe eine elektronische Baugruppe unter Berücksichtigung von Toleranzen zuverlässig und in einfacher Weise hergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den elektrischen Leiter mit den Merkmalen von Anspruch 1, die elektronische Baugruppe mit den Merkmalen von Anspruch 7 und das Verfahren mit den in Anspruch 16 genannten Schritten gelöst. Die Unteransprüche geben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
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Grundgedanke der Erfindung ist es, elektrische Leiter, insbesondere solche die als Topkontaktkörper Verwendung finden können, aus getrockneter, in Form gebrachter Sinterpaste, vorzugsweise mit Kupferpartikeln, auszubilden. Beim Trocknen der Sinterpaste werden die organischen Bestandteile der Sinterpaste zum größten Teil ausgetrieben. Die Formgebung hingegen erfolgt entweder durch Schablonen bei der Applikation der Sinterpaste auf den Kontaktpotentialen der elektronischen Bauteile, insbesondere Halbleiterchips oder des Substrates oder kann auch durch Nutzung verlorener Formen erfolgen. Letztere bestehen gemäß einer bevorzugten Variante aus einem Schlauch mit gewünschtem Querschnitt, der mit Sinterpaste gefüllt ist (die anschließend getrocknet wird) und der in Scheiben gewünschter Dicke geschnitten wird - die Scheiben können dann wahlweise mit dem Schlauchabschnitt oder ohne Schlauchabschnitt auf die Kontaktfläche appliziert werden.
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Das die Sinterpaste umhüllende Schlauchmaterial besteht bevorzugt aus einem mit dem Mold-Compound (Formmasse) verträglichen Material. Idealerweise handelt es sich dabei um den gleichen duroplastischen Werkstoff, aus dem das Mold-Compound besteht.
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Charakteristischerweise werden die Schlauchabschnitte in einer Höhe ausgeführt, die größer als der Spalt zwischen Kontaktpotential und Innenwand des Mold-Werkzeugs ist. Als Richtwert gilt eine prozentuale Höhenüberschreitung in der Größenordnung der Hälfte der prozentualen Porosität der Sinterpaste. Letztere beträgt bei Kupfersinterpasten im getrockneten Zustand etwa zwischen 30% und 50%.
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Die in das Mold-Werkzeug eingebrachte Leistungshalbleiteranordnung mit aus getrockneter Sinterpaste ausgeführten Topkontaktelementen wird beim Schließen des Mold-Werkzeugs von oben und unten eingeklemmt. Dabei erfährt die getrocknete Sinterpaste eine leichte Herabsetzung der Porosität.
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Mit dem Einspritzen des Mold-Compound baut sich im Mold-Werkzeug ein hoher Druck von typischerweise bis 15 MPa auf und es wird eine Mold-Temperatur von ca. 180 °C erreicht und über eine Zeit von ca. 2-3 Minuten gehalten. Unter Einwirkung von Druck und Temperatur über die Zeit wird der aus lediglich getrockneter Sinterpaste bestehende Topkontaktkörper nun gesintert. Bei diesen Prozessparametern sinkt die Porosität der gesinterten Sinterpaste auf etwa 5 % bis 40 %, besonders bevorzugt auf 10 % bis 25 % und typischerweise auf etwa 15 % ± 2 %. Der Endsinterzustand kann dann durch den Post-Mold-Cure-Prozessschritt, also einen weiteren Temperatur-Schritt, angestrebt werden. Bei den vorherrschenden Temperaturen ist die Verwendung von niedertemperatur-sinternden Pasten vorteilhaft.
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Im Ergebnis werden die Topkontaktkörper durch den Mold-Prozess zu einem eine geringe Porosität aufweisenden Kontakt an die Oberseite des Mold-Gehäuses geformt. Das Mold-Compound verkrallt sich mit dem Topkontaktkörper zudem in den äußeren Poren und bettet den Topkontaktkörper fest in das Gehäusematerial ein.
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Das Verkrallen des Mold-Compound in den Poren des Topkontaktkörpers gelingt besonders vorteilhaft, wenn das den Topkontaktkörper umhüllende Schlauchmaterial aus dem gleichen duroplastischen Werkstoff gearbeitet ist wie das Mold-Compound
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Erfindungsgemäß wird also ein elektrischer Leiter mit einer den elektrischen Leiter umgebenden Isolierung vorgeschlagen, wobei der elektrische Leiter eine getrocknete Sinterpaste mit einer Porosität im Bereich von 30 % bis 50 % ist. Die Porosität ist derart gewählt, dass diese ausreichend hoch ist, um einen guten Ausgleich von Höhentoleranzen bei der Fertigung von Modulen zu ermöglichen, und zugleich derart niedrig, dass eine sehr gute elektrische und thermische Leitfähigkeit gewährleistet ist. Die Endporosität des elektrischen Leiters im gesinterten Zustand, also in seiner Funktion als in einer elektronischen Baugruppe eingebundener elektrischer Leiter beträgt bevorzugt 5 % bis 40 %, besonders bevorzugt auf 10 % bis 25 % und typischerweise auf etwa 15 % ± 2 %.
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Vorzugsweise weist die Sinterpaste wenigstens einen metallischen Werkstoff auf, der besonders bevorzugt Aluminium (Al), Kuper (Cu), Silber (Ag) oder eine Kombination dieser Werkstoffe ist.
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Die Isolierung ist bevorzugt ein den elektrischen Leiter umgebender Schlauch, der speziell aus einem Duromer gebildet ist. Der Schlauch liegt dem elektrischen Leiter insbesondere eng an, bzw. ist mit diesem verkrallt und verhindert speziell ein Eindringen von Feuchtigkeit in die vom Leiter und vom Isolator gebildete Grenzfläche.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der elektrische Leiter aus zwei (oder mehr) von einem gemeinsamen Isolierzug umgebenden elektrischen Leitern gebildet ist.
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Neben dem elektrischen Leiter wird auch eine elektronische Baugruppe mit einem ein elektronisches Bauelement kontaktierenden, erfindungsgemäß ausgebildeten elektrischen Leiter vorgeschlagen. Das elektronische Bauelement ist bevorzugt ein Halbleiter und besonders bevorzugt ein Leistungshalbleiter.
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Die elektronische Baugruppe weist weiter bevorzugt ein die elektronische Baugruppe einhausendes Gehäuse auf, wobei das Gehäuse aus einem Werkstoff gebildet ist, der mit dem die Isolierung des elektrischen Leiters bildenden Werkstoff identisch ist.
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Der elektrische Leiter ist innerhalb der elektronischen Baugruppe bevorzugt so angeordnet, dass dieser einen Top-Kontakt ausbildet, sodass der Top-Kontakt nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung als vergossenes Halbleitermodul entweder die Oberseitenpotentiale eines Halbleiterchips oder die substratseitigen Potentiale nach oben aus dem Mold-Modul herausführen kann.
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Insbesondere schließt der elektrische Kontakt bei einer Ausgestaltung als Top-Kontakt unter Ausbildung einer Kontaktfläche mit der Oberfläche des Gehäuses bündig ab.
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Weiter ist speziell vorgesehen, dass die stirnseitigen Oberflächen des elektrischen Leiters der Kontur der den elektrischen Leiter kontaktierenden Kontaktfläche des elektronischen Bauelements entsprechen.
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Schließlich können bevorzugt zwei von derselben Isolierung umgebende elektrische Leiter vorgesehen sein, die mit verschiedenen Kontaktflächen desselben Bauelements kontaktiert sind.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Baugruppe, sieht die folgenden Schritte vor: a. Bereitstellen eines elektronischen Bauelements mit einer auf der Oberseite des Bauelementes angeordneten Kontaktfläche zur Ausbildung einer elektrischen Kontaktierung, b. Anordnen eines oben genannten erfindungsgemäß ausgestalteten elektrischen Leiters auf der Kontaktfläche des elektronischen Bauelements unter Ausbildung einer parallel zur Kontaktfläche des Bauelements ausgerichteten, vom elektrischen Leiter ausgebildeten Kontaktfläche, und c. Sintern des elektrischen Leiters unter Ausbildung einer elektrischen Verbindung zwischen dem elektronischen Bauelement und dem elektrischen Leiter.
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Das Sintern des elektrischen Leiters erfolgt - wie bekannt - bevorzugt durch eine Sintervorrichtung mit einem Ober- und einem Unterstempel. Die Porosität des elektrischen Leiters liegt vor Schritt b. und Schritt c. insbesondere im Bereich von 30 % bis 50 %.
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An diese Schritte kann sich der weitere Schritt d. Vergießen der elektronischen Baugruppe mit einer Vergussmasse, die aus einem zur Isolierung des elektrischen Leiters identischen Werkstoff gebildet ist, anschließen oder dieser wird speziell zeitgleich mit Schritt c. angewendet. Bei zeitgleicher Durchführung von Schritt c. und Schritt d. unterstützt die Vergussmasse den Sinterprozess dadurch, dass die speziell im Spritzgussverfahren mit Druck eingeführte Vergussmasse seitlich auf den beim Sintern von einem Ober- und einem Unterstempel gestauchten elektrischen Leiter wirkt und so die Porosität weiter herabsetzt.
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Die Endporosität des elektrischen Leiters nach dem Sintern, also im gesinterten Zustand beträgt bevorzugt 5 % bis 40 %, besonders bevorzugt 10 % bis 25 % und typischerweise etwa 15 % ± 2 %.
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Speziell ist vorgesehen, dass die Länge des elektrischen Leiters vor dem Sintern um einen prozentualen Wert größer als die Länge des elektrischen Leiters nach dem Sintern ist, der maximal der Hälfte der Porosität der getrockneten Sinterpaste entspricht. Dieses ermöglicht den Ausgleich von Toleranzen unter gleichzeitiger Ausbildung einer guten elektrischen Verbindung.
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Schließlich ist auch ein Verfahren zum Zusammenbauen eines vergossenen Halbleiter-Leistungsmoduls Top-Kontaktanschlüssen, mit den Schritten: Ausbilden von Top-Kontaktkörpern auf einem Substrat, wobei die Top-Kontaktkörper eine Sinterpaste aufweisen, Einsetzen des Substrats und der Top-Kontaktkörper in eine Formpresse, Verkapseln des Substrats und der oberen Kontaktkörper in einer Formmasse unter Bedingungen, bei denen die Sinterpaste einen vollständig gesinterten Körper bildet. Die Sinterpaste ist dabei bevorzugt aus Kupferpartikeln gebildet.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den beigefügten Zeichnungen dargestellten, besonders bevorzugt ausgestalteten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein besonders bevorzugt ausgestaltetes Ausführungsbeispiel eines elektrischen Leiters nach der Erfindung;
- 2 einen schematischen Verfahrensablauf zur Herstellung einer elektronischen Baugruppe; und
- 3 ein besonders bevorzugt ausgestaltetes Beispiel einer elektronischen Baugruppe.
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1 zeigt ein besonders bevorzugt ausgestaltetes Ausführungsbeispiel eines elektrischen Leiters nach der Erfindung. Der in 1 c im Querschnitt dargestellte elektrische Leiter 10 ist von einer Isolierung 20 umgeben. Erfindungsgemäß ist der der elektrische Leiter 10 eine getrocknete Sinterpaste mit einer Porosität im Bereich von 30 % bis 50 %.
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Die Isolierung 20 besteht bevorzugt aus einem Duromer und ist insbesondere - wie 1a und 1b zeigen - schlauchartig ausgebildet, nimmt die bevorzugt Kupfer (Cu) und/oder Silber (Ag) aufweisende Sinterpaste auf und umgibt diese speziell vor Feuchtigkeit schützend. Nach Trocknung der Sinterpaste in der Isolierung 20 weist die durch Trocknung von organischen Bestandteilen weitgehend befreite Sinterpaste eine Porosität im Bereich von 30 % bis 50 %. Der elektrische Leiter 10 kann, wie 1d zeigt, einschließlich Isolierung 20 auf die gewünschte Länge gekürzt, insbesondere geschnitten oder gesägt werden.
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Zur Herstellung einer elektronischen Baugruppe wird, wie 2 anhand eines schematischen Verfahrensablaufs zeigt, zunächst ein elektronisches Bauelements 30 mit einer auf der Oberseite des Bauelementes 30 angeordneten Kontaktfläche zur Ausbildung einer elektrischen Kontaktierung bereitgestellt (2a) und ein zuvor beschriebener elektrische Leiter 10 einschließlich Isolierung 20 auf der Kontaktfläche des elektronischen Bauelements 30 unter Ausbildung einer parallel zur Kontaktfläche des Bauelements 30 ausgerichteten, vom elektrischen Leiter 10 ausgebildeten Kontaktfläche angeordnet (2b). Diese Baugruppe wird in einer Sintereinrichtung 40 angeordnet und der elektrische Leiter unter Ausbildung einer elektrischen Verbindung zwischen dem elektronischen Bauelement 30 und dem elektrischen Leiter 10 ausgesintert (2c). In die Sintereinrichtung kann eine das Bauelement 30 und den elektrischen Leiter 10 vergießende Gussmasse 50 eingeleitet werden, sodass das in 2d gezeigte vergossene Modul, dass insbesondere ein Leistungshalbleitermodul sein kann, erhalten wird.
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Schließlich zeigt 3 zeigt ein besonders bevorzugt ausgestaltetes Beispiel einer elektronischen Baugruppe, bei der die stirnseitigen Oberflächen des elektrischen Leiters 10 der Kontur der den elektrischen Leiter 10 kontaktierenden Kontaktfläche des elektronischen Bauelements 30 entsprechen. Speziell zeigt 3 eine elektronische Baugruppe bei der zwei von derselben Isolierung 20 umgebende elektrische Leiter 10 vorgesehen sind, die mit verschiedenen Kontaktflächen desselben Bauelements 30 kontaktiert sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015120109 B4 [0002]
