DE19544347A1 - Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Leistungsbauelementes und Leistungshalbleiterelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Bauelemente mit ho­ her elektrischer Leistungsabgabe. Zur Verhinderung von tempe­ raturbedingten Halbleiterschädigungen, die sich auf die cha­ rakteristische Kennlinie auswirken können, können verschiede­ ne Maßnahmen ergriffen werden.

Die in elektronischen Bauelementen aufgrund dissipativer Energieanteile auftretenden hohen Erwärmungen sind ein allge­ meines Problem. Die betriebsbedingte eigene Wärmung darf die Junction-Temperatur des Halbleiterchips bzw. die obere Grenztemperatur der (gemischten) Störstellen- und Eigenleit­ fähigkeit nicht übersteigen. Der Halbleiter verändert sonst temperaturbedingt seine charakteristische Kennlinie. Übli­ cherweise werden solche Halbleiterchips einzeln gehäust. Die­ se Art von Halbleiterbauelementen können verschiedenartige Auslegungen und Einsatzgebiete aufweisen. Darunter fallen z. B. Leistungstransistoren, die sich durch geringe Anschluß­ zahlen auszeichnen. Als Gehäuse können einreihige Typen, sog. SIL-Typen (Single-In-Line) bzw. abgewandelte Formen, die bei­ spielsweise einreihig versetzt sind, zur Anwendung kommen.

Um einen Leistungschip zu kühlen, ist im Unterschied zu bei­ spielsweise CMOS-Schaltungen ein höherer passiver Kühlaufwand erforderlich. Zur Erfüllung der Anforderungen bezüglich des Kühlaufwandes an das Gehäusekonzept wird ein dickeres, gut wärmeleitendes und damit wärmeabführendes Metallteil verwen­ det, das aus der Chipumhüllung seitlich herausragt (Wärmesenke, Heat Sink). Es ist üblich, daß das Bauteil mit­ tels dieser herausragenden Wärmesenke direkt auf der Leiter­ platte befestigt wird. Dies kann beispielsweise durch eine Schraubverbindung geschehen. Um eine hohe Wärmeabfuhr zu ge­ währleisten, wird das Metallteil vorzugsweise aus Kupfer oder einer niedriglegierten Kupferlegierung hergestellt. Die Me­ talldicke kann beispielsweise 1 mm oder mehr betragen. Um den Chip elektrisch nach außen hin anzubinden, sind Anschlußstif­ te (Pins) notwendig. Diese werden in der Regel stark gebogen, beispielsweise 90°, und meistens mittels eines Weichlötver­ fahrens eingelötet. In der Regel wird hier eine Einsteckmon­ tage angewandt (THT, Through Hole Technology). Die Stifte weisen beispielsweise eine Breite von 0,5 mm auf. Derartige Anschlußstifte müssen relativ lang sein und, um einen Bruch zu verhindern, gut verformbar sein, also erhöhte Anforderun­ gen an die Materialsteifigkeit aufweisen. Aus diesem Grund müssen Metalle mit einem möglichst hohen E-Modul eingesetzt werden. Dabei ist zusätzlich zur Umformbarkeit der Stifte hinsichtlich der Montage eine hohe plastische Dehngrenze des Materiales erforderlich.

Bei der Herstellung derartiger Bauelemente muß vor der Um­ spritzung mit einer Kunststoffmasse eine Einheit aus Chip, Anschlußbeinchen und Wärmesenke vorliegen. Dies geschieht derart, daß eine Vielzahl von solchen Einheiten hintereinan­ der in Form eines Bandes vorliegt und jeweils eine Einheit schrittweise einer Fertigungsstation zum Umspritzen mit Kunststoff zugeführt wird. Um die oben erwähnten Anforderun­ gen zu erfüllen, müßte ein derartiges strukturiertes Metall­ band mit dem darauf montierten Chip mindestens zwei Dicken aufweisen (Dual Gage Material). Die beiden Bereiche mit un­ terschiedlichen Dicken müßten auch unterschiedliche Werkstof­ feigenschaften aufweisen. Ein Produkt dafür ist der Typ TO- 220 (Transistor Outline Package). Die Forderung nach einem Metallband mit mindestens zwei Dicken ist jedoch mit einer aufwendigen Herstellungstechnik verbunden. Es ist bekannt, gewalzte Bänder mit eingestellter Dickenvarianz zu erzeugen. Eine anschließende Strukturierung des Bandes ist ebenfalls mittels Stanztechnik möglich. Notwendig ist jedoch eine auf­ wendige Profilwalztechnik, sowie ein Stanzen mit komplexen Stanzwerkzeugen, da unterschiedliche Schnittiefen vorliegen.

Weiterhin ist bekannt, zwei separate Metallbänder unter­ schiedlicher Dicke herzustellen, diese zur Darstellung der Anschlußstifte einerseits und zur Darstellung der Wärmesenken andererseits zu strukturieren und beide durch einen Krimp-Vorgang zu verbinden. Nachdem das Halbleiterelement jedoch im wesentlichen auf dem strukturierten Band montiert ist, in dem die Stifte dargestellt werden, ist die Wärmeableitung über die Krimpverbindung in Richtung Wärmesenke nicht optimal aus­ geführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Leistungsbauelementes, sowie ein Leistungshalbleiterelement zur Verfügung zu stellen, wo­ bei sowohl die Belange der Wärmeabfuhr, als auch die notwen­ dige Verformbarkeit der Anschlußstifte optimiert ist.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombi­ nationen der Ansprüche 1 oder 4.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu ent­ nehmen.

Im folgenden wird anhand von schematischen Figuren ein Aus­ führungsbeispiel beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein strukturiertes dünnes Band 6 mit Leadframes 1, die Anschlußstifte 3 enthalten,

Fig. 2 zeigt ein strukturiertes Band 7, mit einer Vielzahl von Wärmesenken 4,

Fig. 3 zeigt das sukzessive, in Kontakt bringen zwischen mit gleicher Teilung angeordneten Leadframes 1 und Wärmesenken 4.

Die Fig. 1 zeigt ein in der Fertigung vorliegendes Band mit relativ dünner Materialstärke, das derart strukturiert ist, daß Leadframes 1 aneinandergereiht vorliegen. Ein Leadframe 1 enthält in diesem Beispiel jeweils drei Anschlußstifte 3. Die Leadframes 1 bzw. das Band 6 ist in diesem Zustand derart ausgelegt, daß die gesamte Struktur stabil zusammenhängt, wo­ bei an nachfolgenden Bearbeitungsschritten nicht notwendige Teile meistens durch Stanzen entfernt werden.

Die Fig. 2 zeigt ein Band 7, dessen Materialstärke wesent­ lich größer ist als die des Bandes 6. Sowohl das Band 6, als auch das Band 7 weisen in der Mitte bzw. am Rand Transport- oder Positionierungslöcher 2 auf. Das Band 7 beinhaltet auch eine größere Anzahl von Wärmesenken 4. Die Strukturierung des Bandes 7 ist ebenfalls wie die des Bandes 6 in üblicher Tech­ nik ausgebildet worden.

Die Fig. 3 zeigt eine Vielzahl von Wärmesenken 4, die mit entsprechender Teilung nebeneinander angeordnet mit Leadfra­ mes 1 korrespondierend, d. h. mit in gleicher Teilung angeord­ neten Leadframes 1 kontaktiert werden. Zur Herstellung einer gut wärmeleitenden Verbindung wird eine stoffschlüssige Ver­ bindung, in diesem Fall durch Widerstandsschweißen, erzeugt.

Die Auswahl einer stoffschlüssigen Verbindung, zu der Teile beider zu verbindenden Elemente teilweise aufgeschmolzen wer­ den müssen, wurde gewählt, um in vorteilhafter Weise ver­ schiedene Metalle bzw. deren Legierungen an dieser Stelle zu verbinden. Somit wird ermöglicht, die Materialauswahl bezüg­ lich der Bänder 6 und der Bänder 7 auf die jeweilige Funkti­ onsanforderung der darin zum einen enthaltenen Anschlußstifte 3 und der zum anderen enthaltenen Wärmesenken 4 optimal aus­ zulegen. Es ist anzumerken, daß die Bezeichnung Leadframe so­ wohl für das Leadframe 1 ohne Wärmesenke, als auch für das Leadframe 5 mit bereits angeschlossener Wärmesenke verwendet wird.

Die Erfindung verwendet somit zwei unterschiedliche Metall­ bänder mit deutlich voneinander abweichenden Materialstärken. Diese bestehen aus unterschiedlichen Metallen bzw. aus Metal­ legierungen unterschiedlicher Metalle. Es ist auch denkbar, unterschiedliche Metallisierungen aufzubringen, die bei aus­ reichender Materialstärke die gewünschte Funktion, beispiels­ weise die Wärmeleitung, erfüllen können.

Eine erfindungsgemäße Version bietet verschiedenartige Vor­ teile. So wird ermöglicht, die Werkstoffe für die einzelnen Bänder, entsprechend für die Anschlußstifte 3 oder für die Wärmesenken 4 einzeln auszuwählen. Im Gegensatz zu der Struk­ turierung eines einzigen Metallbandes mit unterschiedlichen Material stärken können die Werkzeuge für die Strukturierung von Metallbändern 6 oder 7 jeweils einfach ausgebildet wer­ den. Der Werkzeugverschleiß ist leicht zu beobachten. Weiter­ hin können einfache und unterschiedliche Metallbeschichtungen (Plattierungen, Plating-Finish) hergestellt werden. Die Mon­ tage zwischen dem Band 6 (Pinning-Leiste) mit den Wärmesenken 4 (Heat Sink) geschieht in einfacher Form.

Mittels der Erfindung wird die Optimierung des gesamten Sy­ stemes eines Leistungshalbleiterelementes mit den oben be­ schriebenen Elementen zur Herstellung eines vollständigen elektronischen Bauteiles erreicht. Dabei ist für eine hohe Wärmeabfuhr jeweils ein möglichst reines Metall zu verwenden.

Außerhalb der aus Kunststoff bestehenden Chipumhüllung sind besonders bearbeitete Oberflächen vorteilhaft. Kostengünstige Reinmetalle mit hoher Leitfähigkeit sind z. B. Elektrolytkup­ fer und Elektrolytaluminium. Eine besondere Oberflächenbe­ handlung kann z. B. bei Aluminium durch eine Eloxierung aufge­ bracht werden. Weiterhin können standardisierte kommerzielle Kühlrippen erzeugt werden. Durch eine Schwarzfärbung wird allgemein die Wärmestrahlung nach außen hin erhöht. Das Elox­ al verhindert Korrosion.

Metallendlosbänder sind derart standardisiert, daß sie ko­ stengünstig beziehbar sind. Es werden keinerlei erhöhte An­ forderungen an Walzkörper gestellt, wenn die Bandstärke ein­ heitlich ist. Damit werden qualitativ gute Bänder ohne Wel­ ligkeiten herstellbar sein.

Zur einfachen Montage zwischen dem Band 6 und dem dem Band 7 eignen sich in besonderer Weise Widerstandsschweißverfahren. Diese Schweißverfahren erzeugen eine stoffschlüssige Verbin­ dung. Dabei werden beispielsweise Einpulsverfahren mit einer Pulsdauer von 3 bis 10 ms eingesetzt. Als Fügeparameter, der als Kondensatorentladung arbeitenden Systeme werden die Elek­ trodenkraft (Widerstandspreßschweißen) und die Schweißenergie eingestellt. Für die Fügung sind Buckel- bzw. Winkelanordnun­ gen in Anlehnung an amerikanische Standards vorteilhaft.

Ein für die Einsteckmontage der Anschlußstifte 3 notwendiges Biegewerkzeug wird gleichzeitig zum gegenseitigen Andrücken verwendet. Dabei ist es denkbar, daß dies als eine Stromzange verwendet wird, d. h. daß es Druck ausübt und Energie über­ trägt. Eine Teilefixierung und Bereitstellung entfällt, wie sie beispielsweise beim Laserpunktschweißen notwendig wäre.

Eine extrem kurze Impulsdauer verhindert eine große Wärmeein­ flußzone, so daß eine geringe Materialerweichung und somit ein kleiner Verfärbungshof in der Umgebung der Schweißverbin­ dung entstehen. Somit können u. U. vorher eingebrachte Materi­ aleigenschaften weitestgehend erhalten bleiben.

Falls die geometrischen Gegebenheiten es zulassen, kann bei­ spielsweise auch ein Reibschweißverfahren eingesetzt werden. Weiterhin ist denkbar, ein Elektrodenstrahl-Schweißverfahren zu verwenden. Ein Laserschweißverfahren stößt bei unter­ schiedlichen zu verbindenden Metallen an seine Grenzen. Wei­ terhin ist denkbar, mittels der Erfindung auch SMD-Bauelemente (Surface Mounted Device) herzustellen, da auch hier eine wesentliche Verbiegung der Anschlußbeinchen in An­ schluß an die Kunststoffumspritzung notwendig sein kann.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Leistungs­ bauelementes, das aus einem gehäusten Chip mit einem Leadframe (5) besteht, und das Leadframe (5) aus einem die elektri­ schen Anschlußbeinchen (3) darstellenden Leadframe (1) mit geringer Materialstärke und einem eine Wärmesenke (4) dar­ stellenden, aus dem Gehäuse herausragenden Metallteil mit größerer Materialstärke zusammengesetzt ist, wobei zur Her­ stellung mindestens zwei entsprechend strukturierte Bänder (6, 7) mit wesentlich differierender Materialstärke eingesetzt werden, wovon das dünnere Band (6) eine Vielzahl von Leadfra­ mes (1) und das dickere Band (7) eine Vielzahl von Wärmesen­ ken (4) aufweist, die bei gleicher Teilung korrespondierend in Kontakt gebracht werden, durch ein Widerstandsschweißver­ fahren jeweils miteinander verschweißt werden und aus jeweils unterschiedlichen Metallen oder deren Legierungen bestehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Leadframe (1) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und die Wärmesenke (4) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin das Widerstands­ schweißverfahren ein Widerstandspreß-Schweißverfahren ist.

4. Leistungshalbleiterelement mit nach außen herausragender Wärmesenke (4) und Anschlußstiften (3) zur Einsteckmontage, das nach einem Verfahren entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellt ist, bei dem das Leadframe (5) aus einem Leadframe (1) mit Anschlußstiften (3) und der Wärmesenke (4) besteht, die jeweils aus unterschiedlichen Metallen oder de­ ren Legierungen bestehen und unterschiedliche Materialstärken aufweisen.