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