DE10228592A1

DE10228592A1 - Leistungsbauteil mit einer Wärmesenke

Info

Publication number: DE10228592A1
Application number: DE10228592A
Authority: DE
Inventors: Horst Theus
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-06-26
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2003-10-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leistungsbauteil mit einer Wärmesenke (2), die mit einem Leistungshalbleiterchip (3) verbunden ist, wobei die Wärmesenke (2) gleichzeitig eine Stromzuführung (4) zu dem Leistungshalbleiterchip (3) bildet und die Wärmesenke (2) in einem Wärmeübergangsbereich (5) mit dem Leistungshalbleiterchip (3) mindestens einen kühlenden Peltierübergang (6) aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung derartiger Leistungsbauteile mit aktiv kühlenden Peltierelementen als Wärmesenke oder Außenkontakte.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungsbauteil mit einer Wärmesenke, die mit einem Leistungshalbleiterchip verbunden ist sowie ein Verfahren zur Herstellung derartiger Leistungsbauteile gemäß der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Bei Leistungsbauteilen ergibt sich eine entscheidende thermische Grenze der Funktionsfähigkeit. Diese Grenze bildet die im Betrieb auftretende Verlustleistung der Schalt- oder Verstärkungs- Leistungsbauteile, die als Wärme abzuführen ist. Die aktiven PN-Übergänge dürfen sich dabei nicht soweit erwärmen, dass sie nur noch passive Widerstände darstellen.
Um die Verlustwärme abzuführen, sind unterschiedliche Maßnahmen bekannt, wie beispielsweise eine Wärmesenke, die passiv wirkt oder die Kühlrippen aufweist, welche in Zusammenwirkung mit bewegter Luft oder bewegten flüssigen Kühlmedien, wie Transformatorenöl, dafür sorgen, dass die Verlustwärme der Leistungsbauteile in die Umgebung abgegeben wird. Während also eine Wärmesenke nur passiv die Wärme nach außen leitet und Kühlrippen die kühlbare Oberfläche einer Wärmesenke vergrößern, ist eine aktive Kühlung mit Hilfe von Gebläsen oder bewegten Kühlflüssigkeiten äußerst aufwendig und erfordert Vorrichtungen, die außerhalb des elektronischen Bauteils aufzubauen sind.
Somit kann die Wärmeabfuhr durch eine Wärmesenke selbst bei größter Wärmekapazität und höchster Wärmeleitfähigkeit des Wärmesenkenmaterlals nicht beliebig vergrößert werden, ohne das Leistungsbauteil in seiner räumlichen Erstreckung wesentlich zu vergrößern. Eine aktive Kühlung ist bisher nur durch Sekundäraufbauten erreichbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Kühlwirkung innerhalb von Leistungsbauteilen zu vergrößern, ohne beispielsweise das Volumen einer Wärmesenke zu vergrößern.
Gelöst wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Leistungsbauteil mit einer Wärmesenke angegeben, wobei die Wärmesenke mit einem Leistungshalbleiterchip verbunden ist, und wobei die Wärmesenke gleichzeitig eine Stromzuführung zu dem Leistungshalbleiterchip darstellt. Darüber hinaus weist die Wärmesenke in dem Wärmeübergangsbereich mit dem Leistungshalbleiterchip mindestens einen kühlenden Peltierübergang auf.
Dieses Leistungsbauteil hat den Vorteil, dass der durch das Leistungsbauteil zu schaltende oder zu verstärkende Strom aktiv eine Kühlung des Leistungsbauteils bewirkt, indem er durch die Wärmesenke geführt wird, die mindestens einen kühlenden Peltierübergang aufweist. Dazu wird erfindungsgemäß der kühlende Peltierübergang eines Peltierelementes in unmittelbarer Nähe des Wärmeübergangsbereiches vom Leistungshalbleiterchip zur Wärmesenke angeordnet und der sich bei Stromdurchgang erwärmende Peltierübergang wird beabstandet von dem Wärmeübergangsbereich angeordnet.
Somit hat das erfindungsgemäße Leistungsbauteil den Vorteil, dass die Kühlwirkung der Wärmesenke nicht nur aktiv verstärkt wird, sondern auch durch den zu schaltenden oder zu verstärkenden Strom des Leistungsbauteils selbst geregelt wird. Bei hohen Stromwerten ist die Kühlwirkung des kühlenden Peltierübergangs stärker als bei niedrigen Strömen, die durch das Leistungsbauteil fließen. Da der Querschnitt einer Wärmesenke bedeutend größer ist als der Querschnitt der Leiterbahnen, die in dem Leistungsbauteil miteinander verbunden sind, kann davon ausgegangen werden, dass der erhöhte Widerstand von Peltiermaterialien und insbesondere der erhöhte Widerstand an den Peltierübergängen keine Beeinträchtigung des zu schaltenden oder zu verstärkenden Stromes des Leistungsbauteils darstellt.
Die Wirkung einer derartigen stromführenden Wärmesenke aus Materialien mit Peltierübergängen kann durch Anordnen mehrerer kühlender Peltierübergänge im Wärmeübergangsbereich des Leistungshalbleiterchips zusätzlich vergrößert werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der kühlende Peltierübergang orthogonal zu dem Wärmeübergangsbereich des Leistungshalbleiterchips angeordnet ist. Entsprechend ist der sich erwärmende Peltierübergang orthogonal zu der Ebene des Wärmeübergangsbereiches angeordnet, jedoch außerhalb und damit beabstandet von dem Wärmeübergangsbereich des Leistungsbauteils.
Die Stromzuführung zu dem Halbleiterchip ist so ausgeführt, dass zwischen einer Außenanschlussfläche einer Trägerplatte und einer Kontaktanschlußfläche der Trägerplatte, die mit entsprechenden Kontaktflächen des Leistungshalbleiterchips verbunden ist, die Wärmesenke mit ihrem kühlenden Peltierübergang zwischengeschaltet bleibt. Das bedeutet, dass kein Leistungsstrom, der den Leistungshalbleiterchip erreichen soll beziehungsweise vom Leistungshalbleiterchip abgegeben werden soll, nicht über die Wärmesenke zu- oder abgeführt wird. Da für die Kühlwirkung und die Heizwirkung von Peltierelementen die Stromrichtung entscheidend bleibt, ist diese bei der Struktur der Wärmesenke und bei der Struktur des Anschlusses des Leistungshalbleiterchips auf einer isolierenden Trägerplatte entsprechend berücksichtigt.
Neben einer orthogonalen Anordnung eines kühlenden Peltierübergangs im Wärmeübergangsbereich des Leistungshalbleiterchips wird bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ein Peltierübergang verwendet, der parallel zu der passiven Rückseite des Leistungshalbleiterchips angeordnet ist. In diesem Fall ist die Wärmesenke durch parallele Schichten gekennzeichnet, die unterhalb der passiven Rückseite des Leistungshalbleiterchips nacheinander angeordnet sind, so dass der kühlende Peltierübergang in unmittelbarer Nähe der passiven Rückseite des Leistungshalbleiterchips angeordnet ist und der parallel dazu angeordnete wärme erzeugende Peltierübergang die Außenseite der Wärmesenke bildet und beabstandet von dem Wärmeübergangsbereich vorgesehen ist.
Beide Ausführungsformen nämlich sowohl mit vertikal als auch mit horizontal ausgerichtetem kühlenden Peltierübergang haben den Vorteil, dass die Wärmesenke nicht nur passiv Wärme abführt oder passiv Wärme aufnimmt entsprechend ihrer Wärmeleitfähigkeit beziehungsweise ihrer Wärmekapazität sondern aktiv den Leistungshalbleiterchip innerhalb beispielsweise einer Kunststoffgehäusemasse kühlen kann.
Zwischen dem Wärmeübergangsbereich des Leistungshalbleiterchips und der stromführenden Wärmesenke mit dem mindestens einen kühlenden Peltierübergang kann eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet sein. Diese elektrisch isolierende Schicht soll dafür sorgen, dass nicht über beispielsweise die Rückseite des Leistungshalbleiterchips bereits parasitäre Ströme in den Halbleiterchip eingeleitet werden können, sondern dass der gesamte Stromfluss von dem Leistungshalbleiterchip über die Wärmesenke und damit über den kühlenden Peltierübergang zu einer externen Außenanschlussfläche geleitet wird. Eine derartige elektrisch isolierende, aber wärmeleitende Schicht zwischen der stromführenden Wärmesenke und dem Leistungshalbleiterchip kann eine mit Nanopartikeln gefüllte Kunststoffmasse sein, wobei der Anteil an Nanopartikeln zwischen 60 und 65 Gew.-% dieser Schicht aufweist. Derartige Nanopartikel haben den Vorteil, dass sie einerseits die elektrische Isolation erhöhen, andererseits die Wärmeleitfähigkeit verbessern und schließlich aufgrund ihrer minimalen Abmessungen zu beliebig dünnen Klebeschichten zusammengedrückt werden können.
Eine weitere Möglichkeit, möglichst dünne elektrisch isolierende, aber wärmetechnisch leitende Schichten herzustellen, besteht darin, die stromführende Wärmesenke mit dem Leistungshalbleiterchip im Wärmeübergangsbereich des Leistungshalbleiterchips mittels Ormoceren zu verbinden, die nur wenige Mikrometer Dicke aufweisen müssen, um einerseits ihre volle Klebewirkung zu entfalten und andererseits eine hohe Spannungsfestigkeit der Klebeschicht zu ermöglichen.
Eine besondere Ausführungsform der Erfindung ist darin zu sehen, dass als Wärmesenke mit Peltierübergängen die Außenkontakte eines Leistungshalbleiterchips vorgesehen werden. Dazu werden die Außenkontakte derart strukturiert und aus verschiedenen Metallschichten hergestellt, so dass ein kühlender Peltierübergang sich unmittelbar an die Außenkontaktflächen des Leistungshalbleiterchips anschließt und der sich erwärmende Peltierübergang zu dem Schaltungsträger hin, auf dem das Leistungshalbleiterchip montiert werden soll, angeordnet ist. Beim Durchgang von Strom durch einen derartigen Außenkontakt wird dieser Außenkontakt eine aktive Kühlleistung über die Außenkontaktfläche des Halbleiterchip an den Halbleiterchip und an die Leistungsschaltungsstruktur des Halbleiterchips abgeben. Mit der Erfindung ist es möglich, ohne die Leistungsbauteile im Volumen zu erhöhen, eine aktive Kühlung innerhalb des Leistungsbauteils anzuordnen, sei es durch die besondere Strukturierung einer Wärmesenke oder sei es dass Außenkontakte als Wärmesenke mit kühlenden Peltierübergängen ausgestattet werden.
Einen optimalen Peltiereffekt zeigen Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit und verminderter elektrischer Leiterfähigkeit und möglichst unterschiedlicher elektronischer Austrittsarbeit an den Oberflächen der Materialien. Ein Peltierübergang kann durch Aufeinanderlöten oder miteinander Verbinden von Metallen hergestellt werden, wobei auf der einen Seite Kupfer, Eisen oder Nickel eingesetzt wird und auf der anderen Seite eines Peltierübergangs Konstantan verwendet wird. Dabei ist Konstantan eine Legierung aus 50 Atom-% Kupfer, 49 Atom-% Eisen und Rest Mangan. Wesentlich wirksamer lässt sich ein Peltiereffekt bei der Verwendung unterschiedlicher, hochdotierter Halbleiter realisieren. Der Peltierkoeffizient von Halbleitern kann durch eine zusätzliche und entsprechende Dotierung optimiert werden. Gleichzeit erhöht sich mit der Dotierung auch die elektrische Leitfähigkeit dieser Halbleiter. Für einen entsprechenden Peltierübergang kann einerseits ndotiertes SiGe, n-dotiertes BiTeSn oder n-dotiertes BiSbTe eingesetzt werden und für die andere Seite des Peltierübergangs können halbleitende Materialien, wie p-dotiertes SiGe, p-dotiertes BiTeSn oder p-dotiertes BiSbTe verwendet werden.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungsbauteils mit stromführender Wärmesenke, die mindestens ein Peltierelement aufweist, umfasst folgende Verfahrensschritte:
Zunächst wird eine Wärmesenke aus mindestens einem Peltierelement mit zwei Endflächen hergestellt, wobei das Peltierelement einen kühlenden und einen wärmenden Peltierübergang aufweist. Anschließend wird ein Leistungshalbleiterchip auf dem kühlenden Peltierübergang des Peltierelementes positioniert. Dazu kann ein isolierender Kleber eingesetzt werden. Nachdem der Leistungshalbleiterchip auf dem kühlenden Peltierübergang positioniert ist, wird eine der Endflächen des Peltierelements mit einer stromführenden Elektrode des Leistungshalbleiterchips verbunden und anschließend die zweite Endfläche des Peltierelementes mit einer Außenanschlussfläche eines Schaltungsträgers, der sowohl den Leistungshalbleiterchip als auch die Wärmesenke trägt, verbunden.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass herkömmliche Technologien zur Herstellung eines derartigen Leistungsbauelements mit aktiv kühlender Wärmesenke eingesetzt werden können, ohne dass zusätzliche Anlagen erforderlich wären. Lediglich die Struktur und die stoffliche Zusammensetzung der Wärmesenke ist entsprechend den Erfordernissen zur Schaffung von Peltierelementen anzupassen. Mit diesem Verfahren werden elektronische Leistungsbauteile geschaffen, die nicht nur passiv durch ihre Wärmesenke gekühlt werden, sondern ihre Kühlwirkung ist aktiv durch die Stromführung des Leistungsbauteils geregelt.
Vor dem Positionieren eines Leistungshalbleiterchips auf dem kühlenden Peltierübergang des Peltierelementes wird die Wärmesenke in einem Wärmeübergangsbereich zu dem Leistungshalbleiterchip mit einer elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Schicht abgedeckt. Umgekehrt kann auch vor dem Positionieren der Leistungshalbleiterchip in seinem Wärmeübergangsbereich mit einer entsprechenden elektrisch isolierenden und wärmeleitenden Schicht bedeckt sein, so dass sich eine elektrische Isolation der Wärmesenke erübrigt. Ein besonderer Vorteil ist es deshalb, wenn die Rückseite eines Leistungshalbleiterchips auf dem kühlenden Peltierübergang des Peltierelements positioniert werden soll, dass diese Rückseite des Halbleiterchips beispielsweise mit einer elektrisch isolierenden Siliziumnitrid- oder Siliziumoxidschicht bedeckt wird, die mit einer Dicke im Mikrometerbereich eine ausreichende elektrische Isolierung schafft und andererseits die Wärmeleitung im Wärmeübergangsbereich nicht wesentlich beeinträchtigt.
Das elektrische Verbinden der einen Endfläche des Peltierelementes mit einer stromführenden Elektrode des Leistungshalbleiterchips kann mittels Bondtechnik erfolgen. Dazu wird in einem Schaltungsträger, der sowohl den Leistungshalbleiterchip als auch die stromführende Wärmesenke trägt, ein Durchkontakt vorgesehen, der auf der Oberseite des Schaltungsträgers eine Kontaktanschlussfläche aufweist, die über einen Bonddraht mit einer Kontaktfläche des Halbleiterchips verbunden sein kann. Der wärmende Peltierübergang des Peltierelementes, der beabstandet von dem Wärmeübergangsbereich des Leistungshalbleiterchips angeordnet wird, kann in ähnlicher Weise über einen Durchkontakt mit einem Außenanschluss des Leistungshalbleiterchips verbunden werden, so dass der zu schaltende oder zu verstärkende Strom gezwungen wird, durch die Wärmesenke beziehungsweise durch das Peltierelement zu fließen.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Leistungsbauteilen, deren Außenkontakte als Peltierelemente strukturiert sind, weist folgende Verfahrensschritte auf: Zunächst wird ein Nutzen mit mehreren Bauteilpositionen für Leistungsbauteile hergestellt. Die Bauteilpositionen weisen jeweils einen Leistungshalbleiterchip auf, welcher in einer Kunststoffgehäusemasse eingebettet ist. Der Nutzen weist seinerseits eine Unterseite auf, die von einer Lötstopplackschicht mit Öffnungen bedeckt ist, wobei in den Öffnungen Außenkontaktflächen für jede der Bauteilpositionen angeordnet sind. Nach dem Herstellen eines derartigen Nutzens mit entsprechenden Außenkontaktflächen auf seiner Unterseite wird diese Unterseite verspiegelt, wobei die Lötstopplackschicht und die Außenkontaktflächen mit einer Metallschicht verspiegelt werden. Auf diesen Metallspiegel wird eine strukturierte Schutzmaske unter Freilassen der Bereiche der Außenkontaktflächen aufgebracht. Anschließend kann zunächst Kupfer, Nickel oder Eisen auf den Bereichen der Außenkontaktflächen abgeschieden werden, um eine Metallkomponente eines Peltierelementes zu bilden. Danach wird darauf Konstantan abgeschieden, das die obenerwähnte Zusammensetzung aufweist. Damit ist der kühlende Peltierübergang geschaffen und anschließend wird wieder Kupfer, Nickel oder Eisen auf dem Konstantanmaterial abgeschieden, so dass der sich erwärmende Peltierübergang entsteht.
Diese Abscheidungen werden jeweils auf die Bereiche der Außenkontaktflächen durch die strukturierte Schutzmaske begrenzt. Somit entstehen Außenkontakte für das Leistungsbauteil, die aufgrund ihrer Strukturierung eine aktive Kühlung zumindest der Außenkontaktflächen des elektronischen Bauteils bewirken und damit einen hohen Anteil an Verlustwärme ableiten können. Um das Leistungsbauteil fertig zu stellen, wird als nächstes die strukturierte Schutzmaske entfernt, anschließend die Verspiegelungsschicht entfernt und schließlich ein Trennen des Nutzens zu einzelnen Leistungsbauteilen durchgeführt.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass die elektronischen Leistungsbauteile nicht als Einzelstücke herzustellen sind, sondern dass bei dem Herstellen eines Nutzens eine Vielzahl von Leistungsbauteilen gleichzeitig mit Außenkontakten als Wärmesenken, die zusätzlich bei Stromdurchfluss das Bauteil aktiv kühlen, entstehen. Das Verspiegeln der Lötstopplackschicht und der Außenkontaktflächen ist erforderlich, falls die Abscheidung der Materialien für die Peltierelemente galvanisch oder elektrolytisch durchgeführt wird. Dazu ist lediglich eine äußerst dünne Metallschicht erforderlich, die mittels Aufdampftechnik oder Sputtertechnik aufgebracht werden kann. Die galvanische oder elektrolytische Abscheidung der Außenkontakte in den Öffnungen der Schutzmaske hat den Vorteil, dass derartige Schichten äußerst kompakt und zuverlässig herstellbar sind.
Das Aufbringen einer strukturierten Schutzmaske unter Freilassung der Bereiche der Außenkontaktflächen ist in jedem Fall erforderlich, um Außenkontakte als Wärmesenken mit aktiven Peltierelementen auszustatten. Ein Verfahren zur Schaffung einer derartigen strukturierten Schutzmaske auf der Rückseite oder Unterseite des Nutzens ist die Photolithographie. Eine andere Möglichkeit eine solche strukturierte Schutzmaske herzustellen ist die Drucktechnik, wobei sowohl ein Schablonendruck als auch ein Siebdruck möglich sind. Die Drucktechnik hat den Vorteil, dass sie für die Massenfertigung geeignet ist und weniger komplexe Apparaturen benötigt als die Photolithographie.
Die Abscheidung kann auch mittels einer stromlosen chemischen Abscheidung von Materialien für Peltierelemente erfolgen. In diesem Fall ergibt sich der Vorteil, dass die Schritte der Verspiegelung der Lötstopplackschicht und der Außenkontaktflächen sowie das spätere Entfernen dieser Verspiegelungsschicht entfallen können.
Das Entfernen der strukturierten Schutzmaske nach der Herstellung der Außenkontakte in Form von Peltierelementen kann durch Veraschung der Schutzmaske in feinem Plasmaofen erfolgen oder durch Auflösen der strukturierten Schutzmaske in einem Lösungsmittel durchgeführt werden. Falls erforderlich, kann das Entfernen der Verspiegelungsschicht mittels Plasmaätzen erfolgen, ohne die Außenkontakte schützen zu müssen, zumal die Dicke der Verspiegelungsschicht äußerst gering im Vergleich zur Dicke der Außenkontakte ist.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass elektronische Bauelemente und Bauteile insbesondere in der Leistungselektronik im Betrieb hohe Strombelastungen zeigen, womit eine starke Wärmeentwicklung verbunden ist. Diese Wärme ist unerwünscht und kann bis zur Zerstörung des Bauteils, wie oben ausgeführt, führen. Passive Kühlungsmaßnahmen beschränken sich bisher auf entsprechende Wärmesenken, die in das Bauteil eingebaut werden können, wobei durch eine hohe Wärmekapazität und damit ein großes Volumen der Wärmesenke oder durch entsprechend hohe Wärmeleitfähigkeit die Wärmesenke optimiert werden kann.
Eine aktive Kühlung des Bauteils mittels Gebläsen sowie Vergrößerung der Oberfläche der Wärmesenke durch Kühlrippen, die dann ihrerseits einer bewegten Luft ausgesetzt werden können, erfordern zusätzliche Apparaturen. Das gilt auch für externe Anordnungen von Peltierelementen mit entsprechender externer Stromversorgung. Das heißt für aktive Kühlungen, sei es durch Gebläse oder sei es durch Peltierelemente, sind getrennte Apparaturen und getrennte Stromversorgungen bisher erforderlich.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird hingegen die zur Kühlung des Bauelements notwendige Kühlleistung durch ein Peltierelement erbracht, das integraler Bestandteil des Leistungsbauteils ist, indem das Peltierelement mit dem Strom betrieben wird, welcher ohnehin zum Betreiben des Leistungsbauteils erforderlich ist. Der erhöhte Widerstand gegenüber Wärmesenken aus Kupfer, die ein Peltierelement darstellt und somit in den Stromkreis eingebaut wird, ist vernachlässigbar im Verhältnis zu den Widerständen, die aufgrund der geringen Querschnitte der Leiterbahnen innerhalb des Leistungsbauteils vorhanden sind. Da jedoch die Kühlwirkung eines Peltierelementes von der Stromrichtung abhängig ist, wird die Erfindung vorzugsweise für Leistungsbauteile, die mit Gleichstrom betrieben werden, eingesetzt.
Die Kühlleistung ist proportional zum Strom, welcher die unerwünschte Erwärmung des Bauelements verursacht. Somit wird ein selbstregelndes System für das Leistungsbauteil geschaffen, so dass eine hohe Kühlleistung nur dann erbracht werden muss, wenn ein hoher Strom und damit eine starke Erwärmung im Leistungsbauteil vorliegt. Das Kühlsystem hat den weiteren Vorteil, dass es keine äußere Stromversorgung benötigt und dass es räumlich gut an den kritischen Stellen des Leistungsbauteils vorgesehen werden kann, an denen Wärme entsteht. Somit kann durch aktive Kühlung, die für Außenkontakte und/oder die Wärmesenke vorgesehen ist, eine kleinere Ausführungsform der auf diese Weise gekühlten Leistungsbauteile erwartet werden. Somit wird mit dieser Erfindung der für die Wärmedissipation verantwortliche Strom zur Kühlung des Leistungsbauteils eingesetzt.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Leistungsbauteil einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Leistungsbauteil einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Leistungsbauteil einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Leistungsbauteil einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Leistungsbauteil 1 einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
Das Bezugszeichen 2 kennzeichnet eine Wärmesenke, die aus drei Materialbereichen besteht, einem ersten Materialbereich 20, der ein Material A aufweist, einem zweiten Materialbereich 21, der ein Material B aufweist und einem Materialbereich 22, der wieder das Material A aufweist. Diese drei Materialbereiche bilden eine Wärmesenke 2 für den Leistungshalbleiterchip 3. Das Bezugszeichen 4 kennzeichnet eine Stromzuführung, über die der Strom in Pfeilrichtung F von dem Leistungshalbleiterchip 3 kommend durch die drei Materialbereiche 20, 21 und 22 der Wärmesenke fließt und über die Stromzuführung 4 zu einer Stromsenke abgeführt wird.
Das Bezugszeichen 5 kennzeichnet einen Wärmeübergangsbereich des Halbleiterchips 3, über den die in dem Leistungshalbleiterchip 3 entstehende Verlustwärme an die Wärmesenke 2 abgegeben wird. Orthogonal zu dem Wärmeübergangsbereich 5 ist der kühlende Peltierübergang 6 angeordnet, der sich zwischen den Materialien A und B in der vorgegebenen Stromrichtung in Pfeilrichtung F ausbildet, wobei eine untere Temperatur T_u erreicht wird.
Im wesentlichen wird bei einer derartigen Gestaltung einer Wärmesenke 2 Energie von dem Peltierübergang 6 zu dem Peltierübergang 10 transportiert, wobei die pro Zeiteinheit transportierte Wärmemenge proportional dem Strom in Pfeilrichtung F ist. Der materialabhängige Proportionalitätskoeffizient wird Peltierkoeffizient genannt. Wird ein Peltierelement aus derartigen drei Materialbereichen von einem durch ein Leistungsbauteile sowieso fließenden Strom betrieben, so hat man bei dem kühlenden Peltierübergang 6 ein Kühlsystem, welches sich selbst regelt, zumal sich eine hohe Kühlleistung aufgrund der Proportionalität zwischen transportierter Wärmemenge pro Zeiteinheit und Strom bei hohem Strom einstellt, der eine hohe Wärmedissipation im Bauteil verursacht.
Die Energiebilanz ergibt im einfachsten Fall bei gleicher Wärmeleitfähigkeit □ sowie gleicher elektrischer Leitfähigkeit σ der Materialien A und B der drei Materialbereiche der Wärmeleitungssenke eine maximal erreichbare Temperaturdifferenz von

□T_max = (T_o - T_u)_max = (□_AB)² σ/□,

wobei □_AB der Peltierkoeffizient in Abhängigkeit der Materialien A und B ist.
Bei dieser ersten Ausführungsform der Erfindung wurde als Material A in den Bereichen 20 und 22 der Wärmesenke 2 eine Kupferlegierung eingesetzt mit einem Anteil an Kupfer von mindestens 99,9 Atom-%. In dem zweiten Materialbereich 21 der Wärmesenke 2 wurde als Material B Konstantan mit 50 Atom-% Kupfer, 49 Atom-% Eisen und 1 Atom-% Mangan eingesetzt und dabei der kühlende Peltierübergang 6 etwa mittig unter dem Leistungshalbleiterchip 3 angeordnet.
Der Leistungshalbleiterchip 3 ist in dieser ersten Ausführungsform der Erfindung ein Leistungstransistor mit drei Elektroden, einer Steuerelektrode als gemeinsamer Gateanschluss oder Basisanschluss, die nicht gezeigt ist, eine Emitter- oder Sourceelektrode, die über einen Bonddraht oder über ein Bondband 24 mit einer Schaltungsstruktur 25 auf einem Schaltungsträger 11 verbunden ist. Die dritte Elektrode ist eine Drain- oder Kollektorelektrode, die über einen Bonddraht oder ein Bondband 26, einen Durchkontakt 27 durch die Trägerplatte 11 und über die drei Materialbereiche 20, 21 und 22 mit einem weiteren Durchkontakt 28 durch die Trägerplatte 11 mit einer Außenanschlussfläche 15 auf der Trägerplatte 11 verbunden ist.
Auch die Außenanschlüsse für die übrigen beiden Elektroden dieses Leistungstransistors ragen mit Hilfe der Schaltungsstruktur 25 zur gleichen Seite des elektronischen Leistungsbauteils aus dem Gehäuse heraus, wie der Drain- beziehungsweise Kollektoranschluss des Leistungsbauteils 1. Jedoch sind diese Anschlüsse in der hier schematischen Querschnittsansicht nicht zu sehen. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Wärmesenke 2 stromführend und elektrisch leitend. Um keine parasitären Ströme zuzulassen und eine aktive Kühlung im Bereich des kühlenden Peltierübergangs 6 zu erreichen, ist der Leistungshalbleiterchip 3 durch eine elektrisch isolierende und wärmeleitende Schicht 8 von der Wärmesenke elektrisch isoliert. Die Trägerplatte 11 weist somit in einer Aussparung den Leistungshalbleiterchip 3 und auf ihrer Unterseite die als Peltierelement 12 wirkende Wärmesenke 2 auf. Die für eine wirksame Kühlung erforderlichen Stromstärken im Bereich von 3 bis 30 A und Spannungen im Bereich von 1 bis 13 V werden durch das Leistungsbauelement 1 zur Verfügung gestellt, so dass eine selbstgeregelte Kühlung durch den kühlenden Peltierübergang 6 bei dieser Ausführungsform der Erfindung gewährleistet ist.
Obwohl der Strom zusätzlich Joule'sche Wärme dissipiert, ist dieser Effekt einer Aufwärmung der stromführenden Wärmesenke vernachlässigbar, da der Querschnitt der Wärmesenke als Peltierelement mehrere Größenordnungen größer ist als der Querschnitt der Leiterbahnen sowohl auf dem Chip als auch auf dem Schaltungsträger, der beispielsweise in dieser Ausführungsform eine Leiterplatte ist.
Der Peltiereffekt wird größer je niedriger die Wärmeleitfähigkeit der Materialien A und B ist und steigt mit der elektrischen Leitfähigkeit, wobei entscheidend ist, dass die beiden Materialien A und B unterschiedliche elektronische Austrittsarbeiten aufweisen. Während in der Ausführungsform der Fig. 1 Metalle eingesetzt werden, um den Peltiereffekt zu nutzen, ist es auch möglich, unterschiedliche Halbleiter zu verwenden, wobei der Peltierkoeffizient noch zusätzlich durch entsprechend hohe Dotierung optimiert werden kann. Dabei werden für das Material A n-dotierte Halbleiter, wie n-dotiertes SiGe, n-dotiertes BiTeSn oder n-dotiertes BiSbTe eingesetzt. Die N-Dotierung dieser Halbleiter kann durch Zugabe oder Verunreinigung mit Antimon erreicht werden. Als Material B können p-dotierte Halbleiter eingesetzt werden, wie p-dotiertes SiGe, p-dotiertes BiTeSn oder p-dotiertes BiSbTe. Die P- Dotierung wird durch entsprechend hohe Borverunreinigung beziehungsweise Bordotierung erreicht.
Das in Fig. 1 gezeigte Leistungsbauteil kann durch eine Kunststoffgehäusemasse 16 geschützt werden, deren Begrenzung durch eine gestrichelte Linie 29 markiert ist. Mit dieser Kunststoffgehäusemasse werden lediglich die Bondverbindungen 24 und 26, der Leistungshalbleiterchip 3 sowie die Schaltungsstruktur 25 auf dem Schaltungsträger 11 geschützt. Die auf der Unterseite des Schaltungsträgers 11 angeordnete Wärmesenke 2 bildet gleichzeitig die Unterseite und Außenseite des Leistungsbauteils 1, so dass das Peltierelement der Umgebungskühlung ausgesetzt ist. Damit wird erreicht, dass ständig Wärme vom wärmebildenden Peltierübergang 10 in die Umgebung abgegeben werden kann. Die Kühlung dieses Leistungsbauteils, das eine stromführende, als Peltierelement ausgebildete Wärmesenke 2 aufweist, ist wesentlich intensiver als eine einfache passive Wärmesenke, zumal hier aktiv im Bereich des Wärmeübergangs 5 zwischen Leistungshalbleiterchip 3 und Wärmesenke 2 der kühlende Peltierübergang 6 angeordnet ist.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Leistungsbauteil 1 einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in Fig. 1 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
Während in der ersten Ausführungsform der Erfindung der kühlende Peltierübergang 6 vertikal beziehungsweise orthogonal zum Wärmeübergangsbereich 5 des Leistungshalbleiterchips 3 angeordnet ist, wird dieser kühlende Peltierübergang 6 in der Ausführungsform der Fig. 2 parallel zum Wärmeübergangsbereich 5 des Leistungshalbleiterchips 3 angeordnet. Die drei Materialbereiche 20, 21 und 22 sind in dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung vertikal übereinandergestapelt. Während der wärmeerzeugende Peltierübergang 10 unmittelbar über den Materialbereich 22 von der Umgebungsluft gekühlt werden kann, liegt der kühlende Peltierübergang 6 unmittelbar parallel und unterhalb des Wärmeübergangsbereichs 5 des Leistungshalbleiterchips 3.
Die elektrische Beschaltung ist analog zum ersten Ausführungsbeispiel und wird hier nicht extra erörtert. Das gleiche gilt für die Zusammensetzung der Materialien A und B, die zur Vermeidung von Wiederholungen auch hier weggelassen wird. Die Isolationsschicht 8 zwischen dem Leistungshalbleiterchip 3 und der stromführenden Wärmesenke 2 in Form eines Peltierelementes mit aktiven Peltierübergängen 6 und 10 ist äußerst dünn gestaltet und weist Ormocere auf, die eine hohe Durchschlagsfestigkeit für elektrische Spannungen aufweisen und folglich zur elektrischen Isolierung eine äußerst geringe Dicke von wenigen Mikrometern erfordern.
Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Leistungsbauteil 1 einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
In dieser Ausführungsform der Erfindung wird eine Wärmesenke 2 durch mehrere hintereinandergeschaltete Peltierelemente verwirklicht. Zwischen den Peltiermaterialien A und B ist ein elektrisch leitendes Koppelmaterial C angeordnet, das keinen direkten Beitrag zur Peltierkühlung oder Peltiererwärmung liefert. Dieses Koppelmaterial kann durch aufgelötete Kupferstege oder Kupferplatten gebildet werden. Dabei sind die Materialien A und B der Peltierelemente so angeordnet, dass in der angegebenen Stromrichtung F die kühlenden Peltierübergänge 6 in unmittelbarer Nähe des Leistungshalbleiterchips angeordnet sind, während die wärmeerzeugenden Peltierübergänge 10 von dem Leistungshalbleiterchip 3 beabstandet angeordnet sind.
Aufgrund der Hintereinanderschaltung von Peltierelementen 12 ist die Kühlwirkung dieser Anordnung größer als bei den vorhergehenden Beispielen, jedoch ist der technische Aufwand zur Realisierung eines derartigen Bauteils der dritten Ausführungsform der Erfindung entsprechend größer. Auch in dieser Ausführungsform der Erfindung kann der Leistungshalbleiterchip 3 mit den Bondverbindungen 23 und der Schaltungsstruktur 25 auf der Trägerplatte 11 von einer Kunststoffgehäusemasse 16 umschlossen sein, deren Kontur mit der gestrichelten Linie 29 angedeutet wird. Die Endflächen 13 und 14 der hintereinandergeschalteten Peltierelemente 12 sind wieder, wie in den vorhergehenden Figuren mit Durchkontakten durch den Schaltungsträger 11 verbunden, so dass der Strom durch die Wärmesenke 2 mit den Peltierelementen strömen muss.
Fig. 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Leistungsbauteil 1 einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
Fig. 4 zeigt einen Leistungshalbleiterchip 3 mit Außenkontaktflächen 19, die auf der Unterseite des Leistungshalbleiterchips 3 angeordnet sind. Die Außenkontaktflächen 19 sind in Öffnungen 18 einer Lötstopplackschicht 17 angeordnet. Jeder Außenkontakt 9 ist in dieser Ausführungsform der Erfindung als Wärmesenke und gleichzeitig als Peltierelement ausgebildet. Dazu weisen die Außenkontakte 9 drei Materialbereiche 20, 21 und 22 auf, die sich aus dem gleichen Materialien zusammensetzen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispiele 1 bis 3.
Ein derartiger, durch aktiv kühlende Außenkontakte intensiv gekühlter Leistungshalbleiterchip 3 kann unmittelbar auf einen Schaltungsträger 11 mit entsprechenden Außenanschlussflächen 15 aufgebracht werden. Die sich erwärmenden Peltierübergänge 10 der Außenkontakte 9 liegen dabei in unmittelbarer Nähe von wärmeabführenden Schaltungsstrukturen 25 oder wärmeabführenden, metallischen Durchkontakten 27, die wiederum vorgesehen sind, um den Leistungshalbleiterchip mit Strom zu versorgen und entsprechend zu steuern. Die in Fig. 4 gezeigten drei Außenkontakte können stellvertretend für einen Leistungstransistor als Peltierelemente aufgebaut sein, wobei die große Ströme führenden Emitter- und Kollektorelektroden beziehungsweise Source- und Drainelektroden durch die entsprechenden Außenkontakte 9 mittels aktiv kühlenden Peltierübergängen gekühlt werden. Bezugszeichenliste 1 Leistungsbauteil
2 Wärmesenke
3 Leistungshalbleiterchip
4 Stromzuführung
5 Wärmeübergangsbereich
6 kühlender Peltierübergang
7 passive Rückseite
8 elektrisch isolierende Schicht
9 Außenkontakte
10 erwärmender Peltierübergang
11 Schaltungsträger
12 Peltierelement
13, 14 Endflächen des Peltierelementes
15 Außenanschlussfläche
16 Kunststoffgehäusemasse
17 Lötstopplackschicht
18 Öffnung in Lötstopplackschicht
19 Außenkontaktflächen
20, 21, 22 Materialbereiche eines Peltierelementes einer Wärmesenke
23 Bondverbindung
24 Bonddraht oder Bondband
25 Schaltungsstruktur
26 Bonddraht oder Bondband
27, 28 Durchkontakte
29 gestrichelte Linie
A Material A
B Material B
C Material C
F Pfeilrichtung des Stromflusses
T_o Temperatur des sich erwärmenden Peltierübergangs
T_u Temperatur des kühlenden Peltierübergangs

Claims

1. Leistungsbauteil mit einer Wärmesenke (2), die mit einem Leistungshalbleiterchip (3) verbunden ist, wobei die Wärmesenke (2) gleichzeitig eine Stromzuführung (4) zu dem Leistungshalbleiterchip (3) bildet und die Wärmesenke (2) in einem Wärmeübergangsbereich (5) mit dem Leistungshalbleiterchip (3) mindestens einen kühlenden Peltierübergang (6) aufweist.

2. Leistungsbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (2) in dem Wärmeübergangsbereich (5) des Leistungshalbleiterchips (3) mehrere kühlende Peltierübergänge (6) aufweist.

3. Leistungsbauteil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine kühlende Peltierübergang (6) orthogonal zu dem Wärmeübergangsbereich (5) des Leistungshalbleiterchips (3) angeordnet ist.

4. Leistungsbauteil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine kühlende Peltierübergang (6) parallel zu der passiven Rückseite (7) des Leistungshalbleiterchips (3) angeordnet ist.

5. Leistungsbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wärmeübergangsbereich (5) des Leistungshalbleiterchips (3) und der stromführenden Wärmesenke (2) mit dem mindestens einen kühlenden Peltierübergang (6) eine elektrisch isolierende Schicht (8) angeordnet ist.

6. Leistungsbauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Schicht (8) zwischen Leistungshalbleiterchip (3) und stromführender Wärmesenke (2) einen elektrisch isolierender Nanopartikelanteil zwischen 60 und 95 Gew.-% aufweist.

7. Leistungsbauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Schicht (8) zwischen Leistungshalbleiterchip (3) und stromführender Wärmesenke (2) Ormocere aufweist.

8. Leistungsbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsbauteil (1) als Wärmesenke (2) Außenkontakte (9) aufweist, die derart strukturiert sind, dass sie einen kühlenden Peltierübergang (6) zum Leistungshalbleiterchip (3) hin und einen sich erwärmenden Peltierübergang (10) zu einem Schaltungsträger (11) hin aufweisen.

9. Leistungsbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Peltierübergang (6, 10) Kupfer oder Eisen oder Nickel einerseits und Konstantan andererseits aufweist, wobei Konstantan eine Legierung aus 50 Atom-% Kupfer, 49 Atom-% Eisen, Rest Mangan ist.

10. Leistungsbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Peltierübergang (6, 10) n-dotiertes SiGe, n- dotiertes BiTeSn oder n-dotiertes BiSbTe einerseits und p-dotiertes SiGe, p-dotiertes BiTeSn oder p-dotiertes BiSbTe andererseits, aufweist.

11. Verfahren zur Herstellung eines Leistungsbauteils (1) mit stromführender Wärmesenke (2), die mindestens ein Peltierelement (12) aufweist, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:

- Herstellen einer Wärmesenke (2) aus mindestens einem Peltierelement (12) mit zwei Endflächen (13, 14), das einen kühlenden und einen wärmenden Peltierübergang (6) aufweist,

- Positionieren eines Leistungshalbleiterchips (3) auf dem kühlenden Peltierübergang (6) des Peltierelements (12),

- elektrisches Verbinden der einen Endfläche (13) des Peltierelements (12) mit einer stromführenden Elektrode des Leistungshalbleiterchips (3),

- elektrisches Verbinden der anderen Endfläche (13) des Peltierelements (12) mit einer Außenanschlussfläche (15) eines Schaltungsträgers (11), der den Leistungshalbleiterchip (3) und die Wärmesenke (2) trägt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das vor dem Positionieren eines Leistungshalbleiterchips (3) auf dem kühlenden Peltierübergang (6) des Peltierelements (12) die Wärmesenke (2) in einem Wärmeübergangsbereich (5) zu dem Leistungshalbleiterchip (3) mit einer elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Schicht (8) abgedeckt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Verbinden der einen Endfläche (13) des Peltierelements (12) mit einer stromführenden Elektrode des Leistungshalbleiterchips (3) mittels Bondtechnik erfolgt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der wärmende Peltierübergang (10) des Peltierelements (12) beabstandet von dem Wärmeübergangsbereich (5) des Leistungshalbleiterchips (3) angeordnet wird.

15. Verfahren zur Herstellung von Leistungsbauteilen (1), deren Außenkontakte (9) als Peltierelemente (12) strukturiert sind, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:

- Herstellen eines Nutzens mit mehreren Bauteilpositionen für Leistungsbauteile (1), wobei die Bauteilpositionen jeweils einen Leistungshalbleiterchip (3) aufweisen, welches in einer Kunststoffgehäusemasse (16) eingebettet ist, wobei der Nutzen eine Unterseite aufweist, die von einer Lötstopplackschicht (17) mit Öffnungen bedeckt ist, in denen Außenkontaktflächen (19) für jede der Bauteilpositionen angeordnet sind,

- Verspiegeln der Lötstopplackschicht (17) und der Außenkontaktflächen (19) mit einer Metallschicht,

- Aufbringen einer strukturierten Schutzmaske unter Freilassung der Bereiche der Außenkontaktflächen (19),

- Abscheiden von Kupfer, Nickel oder Eisen auf den Bereichen der Außenkontaktflächen (19),

- Abscheiden von Konstantan auf den Kupfer-, Nickel- oder Eisenmaterialien, wobei das Konstantanmaterial 50 Atom-% Kupfer, 49 Atom-% Eisen und 1 Atom-% Mangan aufweist,

- Abscheiden von Kupfer-, Nickel- oder Eisenmaterial auf dem Konstantan,

- Entfernen der strukturierten Schutzmaske,

- Entfernen der Verspiegelungsschicht,

- Trennen des Nutzens zu einzelnen Leistungsbauteilen (1).

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verspiegeln der Lötstopplackschicht (17) und der Außenkontaktflächen (19) mittels Aufdampftechnik oder Sputtertechnik erfolgt.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen einer strukturierten Schutzmaske unter Freilassung der Bereiche der Außenkontaktflächen (19) mittels Photolithographie erfolgt.

18. Verfahren nach Anspruch 15 oder Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen einer strukturierten Schutzmaske unter Freilassung der Bereiche der Außenkontaktflächen (19) mittels Drucktechnik erfolgt

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung von Peltierelementmaterialien in den Bereichen der Außenkontaktflächen (19) zur Bildung von Außenkontakten (9) des Leistungsbauteils (1) mittels stromloser chemischer Abscheidung erfolgt.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung von Peltierelementmaterialien in den Bereichen der Außenkontaktflächen (19) zur Bildung von Außenkontakten (9) des Leistungsbauteils (1) mittels elektrolytischer Abscheidung erfolgt.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen der strukturierten Schutzmaske mittels Veraschung in einem Plasmaofen erfolgt.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen der strukturierten Schutzmaske mittels Auflösen in einem Lösungsmittel erfolgt.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen der Verspiegelungsschicht mittels Plasmaätzen erfolgt.