DE202009000615U1 - Formmassenvergossenes Leistungshalbleiterelement - Google Patents

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Abstract

Formmassenvergossenes Leistungshalbleiterelement, bei dem ein Leistungshalbeiter mit metallischen, an die Außenseite eines Moldmoduls geführten Kontakten in Umhüllungsspritzen mit Duroplasten umgeben ist, und wobei zur Wärmeableitung einer Bodenseite eine Wärmeleitungsstrecke wenigstens durch den Halbleiter und einen Substratträger vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens eine wenigstens im Bereich eines der Kontakte des Halbleiters auf seiner Oberseite einen der Kontakte flächig bedeckend ausgebildete Kontaktlasche angesetzt ist,
auf dem wenigstens einen flächigen Abschnitt der Kontaktlasche wärmeleitend zur Oberseite des Moldmoduls wenigstens ein wärmeleitendes Element zur Ausbildung einer zweiten wärmeableitenden Brücke an die Außenseite des Moduls vorgesehen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein formmassenvergossenes Leistungshalbleiterelement.
  • Bei Leistungshalbleiterelementen, insbesondere bei solchen mit Formverguss werden die Bauelemente üblicherweise nur einseitig durch das Substrat oder das Stanzgitter einen Kühlungspfad zum äußeren Kühlkörper aufweisen. Diese Ableitung der gesamten erzeugten Verlustleistung über nur einen definierten Kühlpfad ist mit Problemen behaftet. Zum einen führt dieser Kühlpfad von der Unterseite des Halbleiterelementes durch das Substrat der Baugruppe beziehungsweise durch ein Stanzgitter an eine äußere Fläche des formvergossenen Leistungshalbleitermoduls (des s. g. mold packages). Von dort wird die Verlustleistung üblicherweise über Wärmeleitpasten an Luft oder Wasserkühler abgegeben.
  • Andererseits ist schon bekannt, dass die Verlustleistung in einem Halbleiter insbesondere bei einem MOSFET und IGBE-Bauelementen einige 10 μm bis 100 μm unterhalb der Kontaktoberfläche des Halbleiters entsteht. Dies entspricht also den oberen 20% der üblichen Gesamtdicke eines Halbleiters.
  • Da die Montage des Halleiters auf dem Substrat/Stanzgitter üblicherweise auf seiner Unterseite (der von Source-Kontakt bzw. Emitter und Gate abgewandten Seite) erfolgt, ist lediglich der Drain- bzw. Kollektoranschluss an der Unterseite. Die Verlustleistung muss daher im wesentlichen durch die Trägerschichten des Siliziums bis zum Substrat, also durch ca. 80% der Gesamtdicke des Halbleiters geführt werden. Dieser lange Entwärmungspfad führt bei möglichst effektivem Betrieb (hohe Stromlast pro Halbleiterfläche) zu einer starken Erwärmung der Sperrschicht des Halbleiters und dies hat weitere ungünstige Folgen.
  • Im Stand der Technik werden diese Module auch als Halbleiter-Moldpackages (also als mit Duroplast umspritzte Umhüllungskörper einer elektronischen Baugruppe mit mindestens einen Halbleiterelement) bezeichnet und sind als robuste, umhüllungsgespritzte Baugruppen bekannt, in denen für bestimmte Anwendungen (z. B. Motorsteuerungen) vorzugweise Leistungsbauelemente mit besonders hoher Verlustleistung zugefasst werden.
  • Die Oberseite solcher Halbleiterbauelemente ist üblicherweise durch bogenförmig aufgesetzte Kontaktdrähte (Bonddrähte) mit anderen Leiterbahnen des Substrates oder des Stanzgitters verbunden und von isolierender Duroplastmasse umhüllt. Die sehr geringe Wärmeleitung der Duroplastmassen (< 1 W/mK) führt nur zu einer sehr geringen Leitung von Verlustwärme durch den Umhüllungskörper an die Umgebung.
  • Die oben erwähnten ungünstigen Folgen bestehen daher in:
    • • geringere Lebensdauer durch höhere Sperrschichttemperatur
    • • früheres Ablösen der Bonddrähte (Wirebond lift off) bei hoher mittlerer Betriebstemperatur bei wechselnden Lasten
    • • Suboptimaler Maximalstrom (uneffektive Ausnutzung der Siliziumfläche)
    • • Größeres Volumen durch unsymmetrische, äußere Kühlkörper der gesamten Baugruppe
  • Bei der Fertigung des Moldpackage nach dem Stand der Technik sind durch den unsymmetrischen Aufbau (Bauteileträger unten und großes Moldvolumen oben) starke Verformungen durch unsymmetrisches Schrumpfen zu beobachten. Nur durch langwierige Temperung kann diese Verwerfung vermindert werden.
  • Die Erfindung hat sich daher zur Aufgabe gestellt, eine verbesserte Ableitung der Verlustwärme zu ermöglichen. Erfindungsgemäß wird dies durch ein formvergossenes Halbleistungshalbleitermodul mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung wieder.
  • Besonders vorteilhaft ist, dass die Betriebsbedingungen der Halbleiter und die damit verbundenen Nachteile durch einen weiteren Entwärmungspfad zur Umgebung deutlich verringert werden können. Der Wärmepfad soll auf der dem vorhandenen Substrat, gegenüberliegenden Seite des Moldpackage an die Umgebung geführt werden. Dort kann dann thermischer Kontakt zu einem Luft- oder Wasserkühler hergestellt werden.
  • Der zusätzliche Wärmepfad steigert die Wärmeabfuhr um 20% bis 30% und um den gleichen Anteil sinkt der verlustleistungsbedingte Temperaturhub in der Sperrschicht des Halbleiters. Dieser geringere Temperaturhub kann nun für eine gesteigerte Lebensdauer oder erhöhte Stromabgabe genutzt werden.
  • Der zusätzliche Entwärmungspfad beginnt dabei in sehr günstiger Weise auf der heißen Oberseite des Halbleiters und wird durch folgenden Aufbau realisiert:
    • 1. Anstelle der üblichen Bonddrähte werden durch Löten, Sintern oder Leitkleben überwiegend ebene Kontaktlaschen zur elektrischen Kontaktierung eingesetzt. Optionen: a. Die Kontaktlasche kann Bestandteil eines zweiten, ausgedehnten Stanzgitters sein. b. Die Kontaktlasche kann in Ihrem Verlauf eine partielle elektrische Isolierung tragen (Isolierlacke, Polyimidschlauch) zur Vermeidung möglicher, montagebedingter Berührungen von potentialtragenden Leiterbahnen oder Bauteilberandungen.
    • 2. Auf diesen Kontaktlaschen kann nun durch Löten, Sintern oder Leitkleben eine thermisch und elektrisch leitende Brücke aufgesetzt werden, die den Wärmepfad bis zur Oberfläche des Moldpackages verlängert. Optionen: a. Eine weitere Funktion dieser metallischen Wärmebrücke ist die Gestaltung als nachgiebiges Element. Diese Eigenschaft ist erforderlich, um die technisch bedingten Dickentoleranzen aller gestapelten Materialien durch Nachgeben beim Schließen des Spritzwerkzeugen auszugleichen. Durch eine z. B. ballige Formgebung der Wärmebrücke wird sichergestellt, dass keine positive Dickentoleranz entsteht und so Halbleiterbauelemente durch Schließkraft des Werkzeuges zerstört werden. Nach dem Schließen des Spritzwerkzeuges folgt das Einpressen der Duroplastmasse und das vollständige Ausfüllen der verbliebenen Hohlräume innerhalb des Werkzeuges. Eine weitere Verformung der Wärmebrücke ist danach nicht mehr möglich. b. Die Balligkeit soll vorzugsweise so orientiert werden, dass die konvexe Seite dem Inneren des Moldpacke zugewandt ist. Die konkave Seite ist demnach an äußeren Fläche dem geschlossenen Werkzeug zugewandt. Damit wird erreicht, dass ein Eindringen der Duroplastmasse (das Overmold) zwischen Wärmebrücke und Werkzeugwand verhindert wird. Eine Nacharbeit zur Beseitigung von Duroplast-Flecken entfällt.
    • 3. Für viele Anwendungen ist zusätzlich eine potentialfreie Entwärmung erforderlich. Dann wird eine möglichst gut Wärme leitende Keramik (z. B. Aln, Al2O3) unterhalb oder oberhalb der metallischen Wärmebrücke in den Wärmepfad durch Löten, Sintern oder Leitkleben zur elektrischen Isolation eingesetzt. Das Nachgeben der Wärmebrücke ist auch bei Einsatz einer elektrischen Isolation vorteilhaft.
    • 4. Optionen: a. Der elektrische Isolator kann ein Wärme leitender Keramikkörper (AlN oder Al2O3) auf der Kontaktlasche des Halbeiters sein. b. Der elektrische Isolator kann eine Wärme leitende Schicht sein, die beispielsweise auf der Wärmebrücke (unten oder oben) durch (kaltgas- oder plasmagespritztes AlN oder Al2O3) aufgebracht ist und dann durch Löten, Sintern oder Kleben stoffschlüssig verbunden wird. c. Der elektrische Isolator kann ein Wärme leitender Keramikkörper (AlN oder Al2O3) oder eine keramische Schicht auf der Außenseite des Moldpackage auf den Flächen der Stanzgitter und der Wärmebrücke
  • Die unsymmetrische Schrumpfung mit den ungünstigen Formverwerfungen entfält vorteilhafterweise duch die Füllung des Moldkörpers mit dem zusätzlichem Material der Wärmebrücke. Der energieaufwendige Temperprozess entfällt.
  • Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt:
  • 1 die erfindungsgemässe Baugruppe (substratlos) mit einem zweiten Wärmepfad nach oben durch eine Metall-Kontaktlasche und einen elektrisch isolierenden, aber Wärme leitenden Isolierkörper,
  • 2 den Stand der Technik in Form einer Moldpackage-Baugruppe mit Stanzgitter als Bauteileträger (also substratlos)
  • 3 den Stand der Technik in Form einer Moldpackage-Baugruppe mit DCB-Substrat als Bauteileträger (und einem Stanzgitter für die elektrischen Anschlüsse)
  • 4 die erfindungsgemässe Baugruppe mit einem zweiten Wärmepfad nach oben durch eine Metall-Kontaktlasche und einen elektrisch isolierenden, aber Wärme leitenden Isolierkörper, mit einem DCB-Substrat als Bauteileträger und einem zweiten DCB als zweiter (elektrisch isolierter Hauptwärmebrücke (und einem Cu-Stanzgitter für die Kontaktierung des Substrats und einem zweiten Stanzgitter zur Laschenkontaktierung des Halbleiters mit nachgiebiger balliger Ausprägung) und
  • 5 die erfindungsgemässe Baugruppe mit einem zweiten Wärmepfad nach oben durch eine Metall-Kontaktlasche und einen elektrisch leitende ballig geprägte Al oder Cu-Scheibe die mit einer dünnen Polyimindschicht elektrisch von den Spannungen der Leistungselektronik getrennt ist.
  • In der 1 wird der erfindungsgemäße formmassenvergossene Leistungshalbleitleiter als Modul mit einem an der Seite herausragenden Stanzgitter 19, 24 dargestellt, so dass auf ein Substrat verzichtet werden kann und das Stanzgitter als Bauteileträger dient. Oberhalb des Stanzgitters 10 ist über eine Lotschicht oder eine Ag-Sinterschicht ein Leistungshalbleiter 12 angeordnet, der mit Bonddrähten 14 elektrisch kontaktiert wird. Der erfindungsgemäße elektrische Kontakt 16 an der Oberseite kann als Kupfer- oder Silberlasche mit einer darunter liegenden Polyimidisolierung 18 flächig auf die größeren Kontakte des Halbleiters an der Oberseite aufgelegt werden.
  • Oberhalb dieser Lasche ist ein wärmeleitender Körper, beispielsweise ein keramischer Isolierkörper 20 mit wiederum Lot- oder Wärmeleitungspaste angeordnet.
  • Oberhalb dieses wiederum ist (zur Verdeutlichung mit einem tatsächlich so nicht vorhandenen weis belassenen Freiraum) eine metallische Wärmebrücke, z. B. eine balliggeprägte Aluminium- oder Kupferscheibe dargestellt.
  • Es kann jedoch auch nur ein wärmeleitender Körper vorgesehen werden, also lediglich eine dünne, isolierende Schicht auf die Leiterlasche aufgelegt werden und dann direkt der thermische Kontakt zu einer Metallscheibe oder auch nur einem keramischen Leitelement gesucht werden.
  • 2 zeigt einen Aufbau ohne Substrat nach dem Stand der Technik, 3 einen Aufbau auf einem DCB (direct copper bond substrat) nach dem Stand der Technik.
  • In 4 ist das erfindungsgemässe formmassenvergossenes Leistungshalbleiterelement, bei dem ein Leistungshalbeiter mit metallischen, an die Außenseite eines Moldmoduls geführten Kontakten in Umhüllungsspritzen mit Duroplasten umgeben ist, und wobei zur Wärmeableitung einer Bodenseite eine Wärmeleitungsstrecke wenigstens durch den Halbleiter und einen Substratträger vorhanden ist, mit zwei DCB dargestellt, einem DCB-Substrat als Bauteileträger und einem zweiten DCB als zweiter (elektrisch isolierter) Haupt-Wärmebrücke (und einem Cu-Stanzgitter für die Kontaktierung des Substrats und einem zweiten Stanzgitter zur Laschenkontaktierung des Halbleiters mit nachgiebiger balliger Ausprägung) wodurch ebenfalls ein zweiter Wärmepfad nach oben durch eine Metall-Kontaktlasche und einen elektrisch isolierenden, aber Wärme leitenden Isolierkörper über wenigstens einen Bereich eines Kontakts des Halbleiters auf seiner Oberseite gebildet ist.
  • Wie zuvor ist eine den Kontakte flächig bedeckend ausgebildete Kontaktlasche realisiert, die Balligkeit legt sich ohne Lunker im wesentlichen vollflächig an (d. h. die Balligkeit der Darstellung ist überdeutlich vorgesehen).
  • Das auf dem wenigstens einen flächigen Abschnitt der Kontaktlasche wärmeleitend zur Oberseite des Moldmoduls vorgesehene wenigstens eine wärmeleitende Element zur Ausbildung einer zweiten wärmeableitenden Brücke an die Außenseite des Moduls ist hier ein DCB.
  • Dass das wenigstens eine wärmeleitenden Element zur Oberseite des Umhüllungskörpers eine keramische Schicht sein kann, ist durch die Schicht 40 in 5 angedeutet. Die keramische Schicht kann eine keramische Platte sein, oder eine durch Plasmaspritzen auf die metallische Kontaktlasche – oder wie in 5 dargestellt auf eine darunterliegende ballige Metallplatte – aufgespritzte Schicht.
  • Die wärmeleitende metallische Platte kann auch allein eingesetzt werden, sie ist dann aber bevorzugt durch eine dünne Isolierschicht – wie ebenfalls der 5 zu entnehmen – von der stromführenden Kontaktlasche zu trennen.
  • Die in einer bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagene Balligkeit der metallischen Platte ist mit einer leicht konkaven Wölbung auf den Leistungshalbleiter hin vorgesehen.
  • Naben der Isolierung oberhalb der Kontaktlasche ist auch der freigeführte Teil der Lasche (der schmaler sein kann) elektrisch zu isolieren, z. B. durch einen Schlauch 18 wie in 1 oder eine untergelegte Isolierblatt, um jedenfalls gegenüber dem Stanzgitter zu isolieren.
  • Das wärmeleitende Element kann ein fester Keramikkörper oder auch eine kompressible, elektrisch und thermisch leitfähige Schicht aus sinterfähigem Metallpartikeln sein.

Claims (8)

  1. Formmassenvergossenes Leistungshalbleiterelement, bei dem ein Leistungshalbeiter mit metallischen, an die Außenseite eines Moldmoduls geführten Kontakten in Umhüllungsspritzen mit Duroplasten umgeben ist, und wobei zur Wärmeableitung einer Bodenseite eine Wärmeleitungsstrecke wenigstens durch den Halbleiter und einen Substratträger vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine wenigstens im Bereich eines der Kontakte des Halbleiters auf seiner Oberseite einen der Kontakte flächig bedeckend ausgebildete Kontaktlasche angesetzt ist, auf dem wenigstens einen flächigen Abschnitt der Kontaktlasche wärmeleitend zur Oberseite des Moldmoduls wenigstens ein wärmeleitendes Element zur Ausbildung einer zweiten wärmeableitenden Brücke an die Außenseite des Moduls vorgesehen ist.
  2. Formmassenvergossenes Leistungshalbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der wärmeleitenden Element zur Oberseite des Umhüllungskörpers eine keramische Schicht ist.
  3. Formmassenvergossenes Leistungshalbleiterelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Schicht eine keramische Platte ist.
  4. Formmassenvergossenes Leistungshalbleiterelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Schicht durch Plasmaspritzen auf die metallische Kontaktlasche aufgespritzt ist.
  5. Formmassenvergossenes Leistungshalbleiterelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der wärmeleitenden Elemente eine metallische Platte ist.
  6. Formmassenvergossenes Leistungshalbleiterelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Platte ballig ausgebildet ist mit einer leicht konkaven Wölbung auf den Leistungshalbleiter hin.
  7. Formmassenvergossenes Leistungshalbleiterelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des freigeführten Teils der metallischen Kontaktlasche eine isolierende Lagenschicht eingelegt ist.
  8. Formmassenvergossenes Leistungshalbleiterelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitende Element eine kompressible, elektrisch und thermisch leitfähige Schicht aus sinterfähigem Metallpartikeln ist.
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