DE19912443A1 - Verfahren zur Montage und elektrischen Kontaktierung eines Leistungshalbleiterbauelements und danach hergestellte elektrische Baueinheit - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Montage und elektrischen Kontaktierung eines Leistungshalbleiterbauelements, das einen metallischen Kühlkörper 15a, 17a aufweist, welcher als Träger für den Halbleiterchip und gleichzeitig zur Wärmeableitung und als ein Anschlusskontakt 23 für den Halbleiterchip dient, und welcher wenigstens einen weiteren elektrischen Anschlusskontakt 23 zur Kontaktierung des Halbleiterchips aufweist, wobei der Kühlkörper 15a, 17a durch Laserschweißen mit einem Anschlusskontaktbereich 5a, 7a eines Leiterzugs 5, 7 mechanisch und elektrisch verbunden wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Baueinheit mit wenigstens einem Leistungshalbleiterbauelement, welches in entsprechender Weise mit den Leiterzügen verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Montage und elektrischen Kontaktie­ rung eines Leistungshalbleiterbauelements, insbesondere zur Verwendung in der Kraftfahrzeugtechnik, sowie eine elektrische Baueinheit mit wenigstens einem Leistungshalbleiterbauelement, welches nach dem Verfahren montiert und elek­ trisch kontaktiert ist.

In der Kraftfahrzeugtechnik finden in letzter Zeit immer mehr Leistungshalblei­ terbauelemente Verwendung, beispielsweise als schnelle elektronische Schalter für das Ansteuern von bürstenlosen Gleichstrommotoren. Derartige Motoren finden als Pumpenmotoren in Servolenkungen oder dergleichen Verwendung.

Nach dem bekannten Stand der Technik ist es erforderlich, zum einen die elektri­ schen Anschlusskontakte mit entsprechenden Anschlussbereichen von Leiterzü­ gen elektrisch zu verbinden und zum anderen den Kühlkörper des Leistungs­ halbleiters für das Abführen der Verlustwärme mit einem weiteren Kühlkörper zu verbinden. Hierfür dient in der Regel ein metallischer Körper, der neben der erforderlichen wärmeleitenden Verbindung auch elektrisch leitend mit dem Kühlkörper verbunden wird, da der mit dem Leistungshalbleiterbauelement inte­ griert ausgebildete Kühlkörper in der Regel mit einem Anschlusspotential bzw. einem elektrischen Anschlusskontakt des Halbleiterbauelements, meist der Mas­ se, verbunden ist.

Die Kühlkörper bekannter Leistungshalbleiterbauelemente weisen zur Montage in der Regel eine Bohrung auf, so dass das Halbleiterbauelement mechanisch, beispielsweise mittels Schrauben, mit dem weiteren Kühlkörper wärmeleitend und elektrisch verbunden werden kann. Darüber hinaus besteht auch die Mög­ lichkeit anstelle der oder zusätzlich zur Verschraubung eine elektrisch und/oder wärmeleitende Klebeverbindung zwischen dem Kühlkörper des Leistungshalb­ leiterbauelements und dem weiteren Kühlkörper vorzusehen.

Nachteilig hierbei ist zum einen der sich bei der industriellen Massenfertigung ergebende hohe Aufwand und bei Klebeverbindungen zusätzlich die Zeitdauer, die vor der Weiterverarbeitung der elektrischen Baueinheit bis zum Aushärten der Klebeverbindung abgewartet werden muss.

Bei reinen mechanischen Verbindungen durch Schrauben, Klemmen oder der­ gleichen besteht die Gefahr, dass durch die in einem Kfz auftretenden Stöße und Vibrationen kurzzeitig der elektrische Übergangswiderstand zwischen dem Kühlkörper des Leistungshalbleiterbauelements und dem weiteren Kühlkörper erhöht wird und es auf diese Weise durch den hohen Strom zu einer zusätzlichen thermischen Belastung bzw. einem Oxidieren der Kontaktflächen kommt. Dies würde letztendlich zu einer Zerstörung des Halbleiters führen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, ein Verfahren zur Montage und elektrischen Kontaktierung eines Lei­ stungshalbleiterbauelements zu schaffen, mit dem das Halbleiterbauelement kontaktsicher und mit geringem Aufwand mechanisch und elektrisch kontaktsi­ cher montierbar ist. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Baueinheit mit wenigstens einem Leistungshalbleiterbauelement zu schaffen, die mit geringem Aufwand herstellbar ist und bei der der Kühlkörper des Leistungshalbleiterbauelements auch bei den in einem Kfz auftretenden Vi­ brationen eine ausreichende elektrische Kontaktsicherheit aufweist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 4.

Die Erfindung geht von der überraschenden Erkenntnis aus, dass auch handels­ übliche Leistungshalbleiterbauelemente, wie Power-FET's oder dergleichen, die einen integrierten Kühlkörper aufweisen, durch Laserschweißen schnell und sicher mit einem Anschlusskontaktbereich eines Leiterzugs mechanisch und elektrisch verbindbar sind, ohne dass die Gefahr besteht, dass durch die beim Laserschweißen auftretende thermische Belastung eine Zerstörung des eigentli­ chen Halbleiterchips erfolgt.

Bisher wurde allenfalls versucht, den Kühlkörper mit entsprechend niedrigen Temperaturen zu verlöten. Da jedoch ein Lot verwendet werden musste, das mit derart niedrigen Temperaturen verarbeitbar ist, besteht die Gefahr, dass bei der in Leistungshalbleitern häufig auftretenden hohen Verlustleistung der Kühlkörper über den Erweichungspunkt des Lots erhitzt wird. Demzufolge kann es bei gleichzeitig auftretenden Vibrationen zu einem zumindest zeitweisen Lösen der mechanischen und elektrischen Verbindung kommen.

Das erfindungsgemäße Verfahren setzt sich über das bisher auch bei den Her­ stellern von Leistungshalbleiterbauelementen bestehende Vorurteil hinweg, dass ein Verschweißen, auch ein Laserverschweißen der Kühlkörper handelsüblicher Leistungshalbleiterbauelemente infolge der zu hohen Temperaturbelastung des Halbleiters nicht möglich ist.

Überraschenderweise hat sich jedoch gezeigt, dass auch handelsübliche Lei­ stungshalbleiterbauelemente, die für die üblichen Montagearten des Verschrau­ bens, Klemmens, Verklebens oder Verlötens ausgebildet sind, mit ihrem Kühl­ körper durch Laserverschweißen mit einem Anschlusskontaktbereich eines Lei­ terzugs mechanisch und elektrisch sicher verbindbar sind.

Nach der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der wenigstens eine weitere elektrische Anschlusskontakt des Halbleiterbauele­ ments durch Widerstandsschweißen mit einem weiteren Anschlusskontaktele­ ment verbunden. Das Widerstandsschweißen der Anschlusskontakte ist möglich, da diese eine relativ geringe Masse aufweisen und demzufolge in kurzer Zeit auf die für das Verschweißen erforderliche Temperatur erhitzt werden können. Die hierfür erforderliche Energie ist weitaus geringer, als die Energie, die für das Verschweißen des Kühlkörpers bei Verwendung des Widerstandsschweißens erforderlich wäre. Die Gefahr einer Temperaturschädigung des Halbleiterchips besteht daher nicht.

Durch die Kombination der beiden Schweißverfahren ergibt sich der Vorteil einer äußerst rationellen und damit kostengünstigen Montage eines Leistungs­ halbleiterbauelements, wobei gleichzeitig eine extrem hohe Kontaktsicherheit, auch bei den in einem Kfz auftretenden Vibrationen, erreicht wird.

Bei einer nach diesem Verfahren hergestellten elektrischen Baueinheit mit we­ nigstens einem Leistungshalbleiterbauelement können die Leiterzüge als Stanz­ gitter ausgebildet sein. Derartige Stanzgitter sind auf einfache Weise herstellbar, wobei die Leiterzüge eine ausreichende Masse und Dicke aufweisen, um das Laserverschweißen der Anschlussbereiche mit dem Kühlkörper des Halbleiter­ bauelements zu ermöglichen. Zudem wird durch die relativ hohe Masse eines Stanzgitters erreicht, dass dieses gleichzeitig zur Abfuhr der Wärme vom Kühl­ körper des Leistungshalbleiterbauelements dient. Gegebenenfalls kann damit auf den Einsatz eines weiteren Kühlkörpers verzichtet bzw. ein entsprechender Kühlkörper hinsichtlich seiner Wärmeabgabeleistung wesentlich kleiner dimen­ sioniert werden.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Kühlkörper des Leistungshalbleiterbauelements einen Durchbruch auf, der ursprünglich für die mechanische Befestigung vorgesehen ist. Das Verbinden des Kühlkörpers mit dem Anschlussbereich eines Leiterzugs erfolgt dann vorzugsweise in der Weise, dass der Anschlussbereich des Leiterzugs mit einer für die Wärmeabfuhr ausrei­ chenden Fläche auf dem Kühlkörper aufliegt, wobei die Schweißung auf der dem Halbleiterchip abgewandten Seite des Durchbruchs erfolgt.

Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der Schweißpunkt oder die Schweißnaht relativ weit vom Montageort des Chips auf dem Kühlkörper, der gleichzeitig als Träger für den Chip dient, liegt und die am Ort des Chips auftretenden Tempe­ raturen während des Schweißprozesses relativ gering sind. Zudem wird ein we­ sentlicher Teil der lokal eingebrachten Wärmemenge für den Laserschweißvor­ gang vom Anschlussbereich der Leiterzüge sofort abgeleitet.

Da das Verschweißen auf der dem Halbleiterchip abgewandten Seite des Durch­ bruchs bzw. auf den beiderseits des Durchbruchs verbleibenden relativ schmalen Stegen des Kühlkörpers erfolgt, ergibt sich ein relativ hoher Wärmewiderstand zwischen dem Schweißpunkt bzw. der Schweißnaht und dem Montageort des Chips, so dass auch hierdurch die Gefahr unzulässig hoher Temperaturen am Ort des Chips reduziert wird.

Obwohl der Schweißpunkt bzw. die Schweißnaht am äußeren Ende des Kühlkör­ pers des Halbleiterbauelements liegt, ergibt sich durch das Aufliegen des An­ schlussbereichs des betreffenden Leiterzugs auf den Kühlkörper auch in den nicht verschweißten Bereichen ein ausreichend geringer Wärmeübergangswider­ stand zur Ableitung der Wärmeverlustleistung auf den Anschlussbereich. Der elektrische Kontakt ist ohnehin durch das Verschweißen am äußeren Ende des Kühlkörpers sichergestellt, wobei selbstverständlich an diesem Ort auch der geringste Wärmeübergangswiderstand besteht.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü­ chen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Teilausschnitt einer elektrischen Baueinheit nach der Erfindung in perspektivischer Draufsicht und

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Ausschnitts in Fig. 1 von unten.

Fig. 1 zeigt einen perspektivisch dargestellten Ausschnitt aus einer elektrischen Baueinheit 1, die im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Stanzgitter 3 mit mehreren Leiterzügen 5, 7, 9, 11 besteht, die in Teilbereichen mit Kunststoff 13 umspritzt sind. Die Leiterzüge werden auf diese Weise zu einer einstückigen Baueinheit verbunden.

Neben weiteren nicht näher dargestellten elektronischen, elektrischen oder elek­ tromechanischen Bauelementen oder Baueinheiten umfasst die elektrische Bau­ einheit 1 mehrere Leistungshalbleiterbauelemente, von denen im in Fig. 1 darge­ stellten Ausschnitt zwei Leistungs-Feldeffekttransistoren 15, 17 dargestellt sind.

Jeder der Leistungs-Feldeffekttransistoren 15, 17 weist einen Kühlkörper 15a, 17a auf, der gleichzeitig als Träger für den eigentlichen Halbleiterchip dient. Dieser ist in üblicher Weise mit Kunststoff umspritzt. Der Kühlkörper 15a, 17a ist gleichzeitig mit einem elektrischen Anschlusskontakt des Halbleiterchips verbunden.

Zur Montage der Leistungs-Feldeffekttransistoren 15, 17 wird der Kühlkörper 15a, 17a in mechanischen Kontakt mit einem Anschlussbereich 5a bzw. 7a der Leiterzüge 5 bzw. 7 gebracht. Die Anschlussbereiche 5a, 7a sind vorzugsweise so ausgebildet, dass sie einen wesentlichen Teil des nicht vom Kunststoff, mit welchem der Halbleiterchip eingespritzt ist, abgedeckten Bereich des Kühlkör­ pers 15a, 17a überdecken. Durch die Ausbildung der Anschlussbereiche 5a, 7a mit einer entsprechenden Dicke kann gewährleistet werden, dass zum einen eine ausreichende mechanische Festigkeit und zum anderen eine gute Wärmeablei­ tung erreicht wird. Dabei wird es in vielen Fällen ausreichen, nur die Anschluss­ bereiche 5a, 7a der Leiterzüge 5, 7 als Kühlkörper zu verwenden und auf zusätz­ liche Kühlkörper zu verzichten. Jedenfalls wird hierdurch erreicht, dass ein er­ forderlichenfalls zusätzlicher Kühlkörper wesentlich kleiner dimensioniert wer­ den kann.

Nach dem mechanischen in Kontaktbringen des Kühlkörpers mit dem betreffen­ den Anschlussbereich der Leiterzüge werden die beiden Teile durch einen Laser­ schweißprozess miteinander verbunden.

Wie in Fig. 1 dargestellt, erfolgt das Verschweißen vorzugsweise im rückwärti­ gen Bereich der Kühlkörper 15a, 17a bzw. der Anschlussbereiche 5a, 7a. Hier­ durch ergibt sich die größtmögliche Distanz des Schweißorts von der Position des Chips unter dem Kunststoff, so dass unzulässig hohe Temperaturen am Ort des Chips sicher vermieden werden können.

Zudem können im Kühlkörper in üblicher Weise Durchbrüche 19 vorgesehen sein. Liegen die Schweißstellen hinter den Durchbrüchen 19 bzw. allenfalls im Bereich der seitlich der Durchbrüche 19 verbleibenden Stege 21, so bilden die Stege 21 einen gegenüber einem voll ausgebildeten Kühlkörper höheren Wärme­ übergangswiderstand in Richtung auf den Ort des Chips. Hierdurch wird die Wärmeleitung in Richtung auf den Chip erschwert bzw. ein wesentlicher Teil der durch den Schweißprozess erzeugten Wärme über den Anschlussbereich des entsprechenden Leiterzugs abgeleitet.

Obwohl die Anschlussbereiche 5a, 7a nur jeweils am rückwärtigen Ende mit dem Kühlkörper 15a, 17a verschweißt sind, ergibt sich auch für die übrige Unterseite der Anschlussbereiche 5a, 7a ein ausreichender wärmeleitender Kontakt mit den Oberflächen der Anschlussbereiche 5a, 7a. Selbst falls in diesen Bereichen der elektrische Kontakt nicht oder nicht konstant (insbesondere bei Vibrationen) aufrechterhalten werden kann, so ergibt sich jedenfalls durch die Schweißverbin­ dung am rückwärtigen Ende des Anschlussbereichs ein idealer elektrischer (und selbstverständlich auch idealer wärmeleitender) Kontakt.

Durch den auch bei extremen Vibrationen und Stoßbelastungen gewährleisteten elektrischen Kontakt zwischen dem Kühlkörper 15a, 17a der Leistungs- Feldeffekttransistoren 15, 17 und den Anschlussbereichen 5a, 7a der Leiterzüge 5, 7 kann auf das zusätzliche Kontaktieren desjenigen der jeweils vorhandenen weiteren Anschlusskontakte 23 des Halbleiterbauelements verzichtet werden, der mit dem selben Anschluss des Chips verbunden ist wie der Kühlkörper. Bei den üblichen Montageverfahren für Leistungshalbleiterbauelemente ist es dagegen erforderlich, auch diesen Anschlusskontakt mit dem betreffenden Leiterzug zu verbinden, da ein vibrationsfester und stoßfester elektrischer Kontakt des Kühl­ körpers mit dem betreffenden Anschlussbereich nicht sichergestellt werden konnte.

Das Kontaktieren der weiteren Anschlusskontakte 23 (im dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel zwei der drei vorhandenen Anschlusskontakte der Leistungs- Feldeffekttransistoren) erfolgt vorzugsweise durch das Widerstandsverschweißen mit den entsprechenden Anschlussbereichen der Leiterzüge 9, 11.

Das Widerstandsverschweißen der weiteren Anschlusskontakte 23 bietet gegen­ über deren Laserverschweißen den Vorteil eines geringeren Aufwands. Da schon an sich aufwendigere Laserschweißen hätte nur dann einen Vorteil, wenn auf das beim Widerstandsschweißen erforderliche Andrücken der Anschlusskontakte 23 an die Leiterzüge verzichtet werden könnte. Ein derartiges Andrücken wäre für den ohnehin aufwendigeren Laserschweißprozess jedoch zusätzlich erforderlich, da die dünnen, biegsamen Anschlusskontakte 23 häufig nicht über die erforderli­ che Länge mit dem Leiterzug 9 bzw. 11 in Kontakt stehen und daher ein Laser­ schweißprozess fehlschlagen bzw. nicht mit der erforderlichen Zuverlässigkeit ausgeführt werden könnte. Demgegenüber ist das Laserverschweißen des Kühl­ körpers mit den Anschlussbereichen der Leiterzüge ohne größere Probleme möglich, da die Kühlkörper so dick und starr, sowie ausreichend eben ausgebil­ det sind, um ein flächiges Anliegen an den betreffenden Anschlussbereich zu ermöglichen.

Zusätzlich wird durch das für das Widerstandsschweißen der betreffenden An­ schlusskontakte 23 erforderliche Andrücken ein zusätzliches Andrücken auch des Kühlkörpers an den Anschlussbereich erreicht. Es bietet sich daher an, das Wi­ derstandsschweißen und Laserschweißen unter Ausnützen des ohnehin erforder­ lichen Andrückens beim Widerstandsschweißen gleichzeitig auszuführen bzw. das Laserschweißen während des Andrückens für das Widerstandsschweißen vorzunehmen.

Nur zur Klarheit sei an dieser Stelle bemerkt, dass von den drei Anschlüssen 23 der Leistungs-Feldeffekttransistoren 15, 17 in den Fig. 1 und 2 nur ein An­ schlusskontakt 23 verschweißt dargestellt ist. Der jeweils kürzer abgeschnittene Anschlusskontakt 23 muss, wie bereits erwähnt, nicht kontaktiert werden, da dieser mit dem selben Anschluss des Chips in Verbindung steht, wie der jeweili­ ge Kühlkörper. Der jeweils umgebogen dargestellte Anschlusskontakt 23 wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit Leiterzügen einer nicht näher dargestellten weiteren Platine verbunden, die unterhalb des Stanzgitters 3 mon­ tiert wird.

Claims (8)

1. Verfahren zur Montage und elektrischen Kontaktierung eines Leistungs­ halbleiterbauelements,

• a) das einen metallischen Kühlkörper (15a, 17a) aufweist, welcher als Träger für den Halbleiterchip und gleichzeitig zur Wärmeableitung und als ein Anschlusskontakt für den Halbleiterchip dient, und
• b) welcher wenigstens einen weiteren elektrischen Anschlusskontakt (23) zur Kontaktierung des Halbleiterchips aufweist,
• c) wobei der Kühlkörper (15a, 17a) durch Laserschweißen mit einem Anschlusskontaktbereich (5a, 7a) eines Leiterzugs (5, 7) mechanisch und elektrisch verbunden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungs­ halbleiterbauelement (15, 17) ein handelsübliches Bauelement ist mit einem Kühlkörper (15a, 17a), welcher für die üblichen Montagearten des Ver­ schraubens, Klemmens, Verklebens oder Verlötens ausgebildet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine weitere elektrische Anschlusskontakt (23) durch Wider­ standsschweißen mit einem weiteren Anschlusskontaktelement (9, 11) ver­ bunden wird.

4. Elektrische Baueinheit

• a) mit Leiterzügen (5, 7, 9, 11) und wenigstens einem mit den Leiterzü­ gen verbundenen Leistungshalbleiterbauelement (15, 17),
• b) das einen metallischen Kühlkörper (15a, 17a) aufweist, welcher als Träger für den Halbleiterchip und gleichzeitig zur Wärmeableitung und als ein Anschlusskontakt für den Halbleiterchip dient, und
• c) welcher wenigstens einen weiteren elektrischen Anschlusskontakt (23) zur Kontaktierung des Halbleiterchips aufweist, dadurch gekennzeichnet,
• d) dass der Kühlkörper (15a, 17a) durch Laserschweißen mit einem An­ schlusskontaktbereich (5a, 7a) der Leiterzüge (5, 7) mechanisch und elektrisch verbunden ist.

5. Baueinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterzüge (5, 7, 9, 11) als Stanzgitter (3) ausgebildet sind.

6. Baueinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stanzgitter (3) zur mechanischen Stabilisierung und Verbindung in Teilbereichen mit Kunststoff (13) umspritzt ist.

7. Baueinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Anschlusskontaktbereich (5a, 7a) der Leiterzüge (5, 7) so stark ausgebildet ist, dass dieser gleichzeitig in einem solchen Maß zur Wärmeabfuhr beiträgt, dass auf einen zusätzlichen Kühlkörper für das Lei­ stungshalbleiterelement (15, 17) vollkommen verzichtet werden kann oder ein zusätzlicher Kühlkörper hinsichtlich seiner Wärmeableitungsleistung wesentlich kleiner dimensioniert werden kann.

8. Baueinheit nach einem der Afrsprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (15a, 17a) einen ursprünglich für die mechanische Be­ festigung vorgesehenen Durchbruch (19) aufweist und dass der Kühlkörper in zumindest einem Teilbereich mit dem Anschlussbereich (5a, 7a) der Leiterzüge (5, 7) verschweißt ist, der auf der dem Halbleiterchip abge­ wandten Seite des Durchbruchs (19) liegt.