EP4584818A1 - Halbleiteranordnung mit zumindest einem halbleiterelement - Google Patents

Halbleiteranordnung mit zumindest einem halbleiterelement

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EP4584818A1
EP4584818A1 EP23797671.7A EP23797671A EP4584818A1 EP 4584818 A1 EP4584818 A1 EP 4584818A1 EP 23797671 A EP23797671 A EP 23797671A EP 4584818 A1 EP4584818 A1 EP 4584818A1
Authority
EP
European Patent Office
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semiconductor
free
flowing material
semiconductor element
housing
Prior art date
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Pending
Application number
EP23797671.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stephan Neugebauer
Oliver Raab
Christian Radüge
Stefan Stegmeier
Claus Florian Wagner
Michael Woiton
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a semiconductor arrangement, in particular a power semiconductor arrangement for a power converter, with at least one semiconductor element.
  • the invention relates to a power converter with at least one such semiconductor arrangement.
  • the invention relates to a method for producing a semiconductor arrangement, in particular a power semiconductor arrangement for a power converter, with at least one semiconductor element.
  • the invention relates to the use of a free-flowing material which contains electrically insulating particles for filling a housing of a semiconductor device.
  • Such semiconductor arrangements are used, for example, in a power converter.
  • a power converter is understood to mean, for example, a rectifier, an inverter, a converter or a DC-DC converter.
  • Such semiconductor arrangements usually comprise a housing in which at least one semiconductor element is arranged.
  • a semiconductor element can be, among other things, a transistor.
  • a soft encapsulation, in particular a silicone encapsulation, is usually provided within the housing to protect the at least one semiconductor element.
  • the publication WO 2022/033745 A1 describes a power module with at least one power unit, which comprises at least one power semiconductor and a substrate, wherein the at least one power unit is at least partially surrounded by a housing.
  • the housing is provided with a soft casting, in particular a silicone casting.
  • the publication EP 3 926 670 A1 describes a power semiconductor module with at least one power semiconductor element.
  • the at least one power semiconductor element is in an electrically insulating and thermally conductive connection with a cooling element via a dielectric material layer, wherein the dielectric material layer rests flat on a surface of the cooling element and is force-fitted to the cooling element by means of a first force acting orthogonally to the surface of the cooling element.
  • the publication WO 2018/046165 A1 describes a power module with a semiconductor component to be contacted on the top and bottom, wherein the semiconductor component can be electrically contacted on the top by a leadframe matrix using contact pressure.
  • a soft encapsulation is very difficult to remove, for example during recycling processes.
  • a semiconductor arrangement in particular a power semiconductor arrangement for a power converter, with at least one semiconductor element ment, wherein the at least one semiconductor element is arranged in a, in particular closed, housing, wherein the housing is at least partially filled with a free-flowing material which contains electrically insulating particles and is in direct contact with the at least one semiconductor element.
  • the object is achieved according to the invention by a power converter with at least one such semiconductor arrangement.
  • the object is achieved according to the invention by a method for producing a semiconductor arrangement, in particular a power semiconductor arrangement for a power converter, with at least one semiconductor element, wherein the at least one semiconductor element is arranged in a housing, wherein the housing is at least partially filled with a free-flowing material which contains electrically insulating particles in such a way that the free-flowing material is in direct contact with the at least one semiconductor element, wherein the housing is closed in a further step.
  • the object is achieved according to the invention by the use of a free-flowing material which contains electrically insulating particles for filling a housing of a semiconductor arrangement in which at least one semiconductor element is arranged, wherein the filling takes place in such a way that the free-flowing material is in direct contact with the at least one semiconductor element.
  • the free-flowing material can be removed much more easily due to its sand-like structure, particularly in comparison to the commonly used soft casting. Simple dismantling for repair, refurbishment or recycling is made possible by such a free-flowing filling. Furthermore, materials and energy-intensive manufacturing processes are saved.
  • a further embodiment provides that the electrically insulating particles of the free-flowing material have a grain size in the range of 0.01 mm to 0.6 mm, in particular 0.1 mm to 0.4 mm.
  • an average grain size is in the range of 0.2 mm to 0.3 mm.
  • a further embodiment provides that the electrically insulating particles of the free-flowing material have a sharply broken, in particular fissured, surface. Such a surface leads to an extension of the creepage paths, in particular in comparison to a spherical structure.
  • the free-flowing material is filled with a meltable insulating material, in particular a wax.
  • a meltable insulating material in particular a wax.
  • High-melting paraffins or other waxes in particular with a melting point above 100°C, are suitable for this.
  • gaps are filled with the meltable insulating material, whereby the material creeps into the gaps between the particles during melting, displacing the air and hardening when cooling.
  • This structure significantly increases the breakdown voltage of the module.
  • a multi-meltable insulating material such as wax is relatively thin in the melted state and is easy to remove, e.g. during a recycling process.
  • paraffins or other waxes are biodegradable and/or reusable.
  • the free-flowing material is filled with an insulating fluid.
  • insulating fluids are, for example, fluorocarbons such as 3M Novec.
  • Such insulating fluids can be used to form a sludge which can be easily removed when dismantling for repair, refurbishment or recycling and which improves the insulating effect.
  • the insulating fluid can be an electrically insulating gas which fills the gaps in the free-flowing material in order to achieve an even greater insulating effect.
  • the insulating fluid contains a phase change material, whereby heat peaks can be cushioned.
  • a further embodiment provides that the housing comprises a heat sink on which the circuit carrier rests flat, whereby the circuit carrier is connected to the heat sink in a force-fitting manner.
  • a force-fitting connection can be produced by pressing, among other things, and makes it easier to dismantle, for example for recycling.
  • a further embodiment provides that a metallic contacting element rests on at least one of the contacts of the semiconductor element and is pressed onto it via a press contact to make force-fitting contact with the semiconductor element.
  • the metallic contacting element is designed as a copper plate or molybdenum plate with a thickness in the range of 10 pm to 250 pm, in particular 25 pm to 250 pm.
  • the metallic contacting element acts as a pressure buffer which distributes pressure forces, e.g. from the press contact, so that the introduction of pressure peaks into the sensitive semiconductor element is prevented.
  • Such an arrangement with a force-fitting pressure buffer makes it easier to dismantle, for example for recycling.
  • FIG 5 is an enlarged schematic representation of a third embodiment of a free-flowing material
  • FIG 6 is a schematic representation of a power converter.
  • FIG 1 shows a schematic sectional view of a first embodiment of a semiconductor arrangement 2 with a semiconductor element 4, which is arranged in a closed housing 6.
  • the semiconductor element 4 is designed as a vertical transistor, in particular as an IGBT or vertical SiC-MOSFET.
  • the housing 6 comprises a metallic heat sink 8, a housing frame 10 with a plurality of pins 12 and a housing cover 14.
  • the housing frame 10 and the housing cover 14 are made, for example, from a plastic, with the pins 12 cast or pressed into the housing frame 10.
  • the heat sink 8, which functions as a base plate, is made, for example, from copper, aluminum or one of their alloys.
  • a circuit carrier 16 is connected to the heat sink 8 in a planar manner.
  • the circuit carrier 16 comprises a dielectric dielectric material layer 18, which in particular contains aluminum oxide, aluminum nitride or an organic electrically insulating and thermally conductive material, and a metallization 20, which contains, for example, copper, gold, molybdenum, silver or one of their alloys.
  • the dielectric material layer 18 can be pressed or adhesively bonded to the heat sink.
  • the circuit carrier 16 can be designed as a substrate, in particular as a DCB (Direct Copper Bonded) substrate, which is, for example, soldered onto the heat sink 8.
  • DCB Direct Copper Bonded
  • the wiring means 28 are designed, for example, as bonding wires or bonding strips, which are welded in particular by ultrasonic wire bonding.
  • the housing 6 is, for example, completely filled with a free-flowing material 30 which contains electrically insulating particles, is in direct contact with the semiconductor element 4 and partially surrounds it.
  • the free-flowing material 30 can, among other things, be a free-flowing Sand that contains electrically insulating particles made of a metal oxide, e.g. aluminum oxide. Additionally or alternatively, the free-flowing material 30 can contain other inorganic substances, e.g. quartz sand, carbonate sand, gypsum sand, silicates, but also organic free-flowing substances, e.g. polymers, siloxanes.
  • the electrically insulating particles of the free-flowing material 30 have a grain size in the range of 0.01 mm to 0.6 mm, in particular 0.1 mm to 0.4 mm.
  • An average grain size can be, among other things, 0.2 mm to 0.3 mm.
  • the free-flowing material 30 replaces a commonly used potting compound in the semiconductor arrangement 2, which is made, for example, from a silicone insulation material that is difficult to remove.
  • the free-flowing material 30 can be easily removed after opening the housing 6, so that the components in the housing 6 are freely accessible for recycling and repair processes.
  • press contacts 38 which are contacted via the metallic contacting elements 40 with the second power contacts 24 of the semiconductor elements 4, the semiconductor elements 4 are connected in a force-locking and detachable manner to the metallization 20 of the circuit carrier 16.
  • the press contacts 38 are designed in FIG. 2 as busbars, which are also called busbars.
  • the busbars are made of copper or a copper alloy.
  • the press contacts 38 can have a spring contact.
  • a force F acting orthogonally to the surface of the circuit carrier 16 is transmitted via the busbars, by means of which the semiconductor elements 4 are fixed.
  • the housing 6 is, as shown in FIG.
  • a free-flowing material 30 which is electrically contains insulating particles and is in direct contact with the semiconductor elements 4 and partially surrounds them.
  • the free-flowing material 30 contains quartz sand and/or aluminum oxide sand.
  • the free-flowing material 30 is completely or partially covered with a film in the area of the housing cover, which is pressed onto the free-flowing material 30, for example by an elastic intermediate element, in particular a polymer foam.
  • the elastic intermediate element is pressed directly onto the free-flowing material 30, so that trickling and thus the formation of cavities are prevented.
  • a subsequent compaction is achieved, which increases the insulating effect and consequently has a positive effect on operational reliability.
  • the second power contacts 24 of the semiconductor elements 4 are surrounded by a glued or pressed plastic frame 42 in order to improve an insulation distance.
  • the plastic frame 42 can be applied additively, for example by dispensing or a 3D printing process.
  • holes can be made, for example in the press contacts 38.
  • the further design of the semiconductor arrangement 2 in FIG 2 corresponds to the design in FIG 1.
  • FIG 6 shows a schematic representation of a power converter 50 which comprises a semiconductor arrangement 2.
  • the power converter 50 can comprise more than one semiconductor arrangement 2.

Landscapes

  • Structures Or Materials For Encapsulating Or Coating Semiconductor Devices Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung (2), insbesondere Leistungshalbleiteranordnung für einen Stromricter (50), mit zumindest einem Halbleiterelement (4), wobei das zumindest eine Halbleiterelement (4) in einem, insbesondere geschlossenen, Gehäuse (6) angeordnet ist. Um die Rezyklierbarkeit einer Halbleiteranordnung (2) zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass das Gehäuse (6) zumindest teilweise mit einem rieselfähigen Werkstoff (30) gefüllt ist, welcher elektrisch isolierende Partikel (44) enthält und mit dem zumindest einen Halbleiterelement (4) in unmittelbarem Kontakt steht.

Description

Beschreibung
Halbleiteranordnung mit zumindest einem Halbleiterelement
Die Erfindung betri f ft eine Halbleiteranordnung, insbesondere eine Leistungshalbleiteranordnung für einen Stromrichter, mit zumindest einem Halbleiterelement .
Ferner betri f ft die Erfindung einen Stromrichter mit mindestens einer derartigen Halbleiteranordnung .
Überdies betri f ft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, insbesondere einer Leistungshalbleiteranordnung für einen Stromrichter, mit zumindest einem Halbleiterelement .
Darüber hinaus betri f ft die Erfindung die Verwendung eines riesel fähigen Werkstof fs , welcher elektrisch isolierende Partikel enthält , zum Befüllen eines Gehäuses einer Halbleiteranordnung .
Derartige Halbleiteranordnungen kommen beispielsweise in einem Stromrichter zum Einsatz . Unter einem Stromrichter ist beispielsweise ein Gleichrichter, ein Wechselrichter, ein Umrichter oder ein Gleichspannungswandler zu verstehen . Üblicherweise umfassen derartige Halbleiteranordnungen ein Gehäuse , in welchem zumindest ein Halbleiterelement angeordnet ist . Ein derartiges Halbleiterelement kann unter anderem ein Transistor sein . Innerhalb des Gehäuses ist üblicherweise ein Weichverguss , insbesondere ein Silikonverguss , zum Schutz des zumindest einen Halbleiterelements vorgesehen .
Die Of fenlegungsschri ft WO 2022 / 033745 Al beschreibt ein Leistungsmodul mit mindestens einer Leistungseinheit , welche mindestens einen Leistungshalbleiter und ein Substrat umfasst , wobei die mindestens eine Leistungseinheit zumindest teilweise von einem Gehäuse umgeben ist . Das Gehäuses ist mit einem Weichverguss , insbesondere mit einem Silikonverguss , gefüllt .
Umwelttechnische Aspekte gewinnen auch in der Elektronikentwicklung immer mehr an Bedeutung . Insbesondere rückt eine verbesserte Rezyklierbarkeit in den Fokus . Die Rezyklierbar- keit aber auch ein Reparaturaufwand werden beispielsweise durch den Wegfall von stof f schlüssigen Verbindungen, welche beispielsweise durch Löten, Sintern oder Schweißen herstellbar sind, verbessert .
Die Of fenlegungsschri ft EP 3 926 670 Al beschreibt ein Leistungshalbleitermodul mit zumindest einem Leistungshalbleiterelement . Um den erforderlichen Bauraum des Leistungshalbleitermoduls zu verringern und dessen Lebensdauer zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass das zumindest eine Leistungshalbleiterelement über eine dielektrische Materiallage mit einem Kühlelement in einer elektrisch isolierenden und thermisch leitfähigen Verbindung steht , wobei die dielektrische Materiallage flächig auf einer Oberfläche des Kühlelements aufliegt und mittels einer orthogonal zur Oberfläche des Kühlelements wirkenden ersten Kraft kraf tschlüssig mit dem Kühlelement verbunden ist .
Die Of fenlegungsschri ft WO 2018 / 046165 Al beschreibt ein Leistungsmodul mit einem ober- und unterseitig zu kontaktierenden Halbleiterbauelement , wobei das Halbleiterbauelement oberseitig durch eine Leadframe-Matrix mittels Anpressdruck elektrisch zu kontaktieren ist .
Ein Weichverguss ist , beispielsweise bei Rezyklierungsvorgängen, sehr schwer zu entfernen . Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Rezyklierbarkeit einer Halbleiteranordnung zu verbessern .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Halbleiteranordnung, insbesondere eine Leistungshalbleiteranordnung für einen Stromrichter, mit zumindest einem Halbleiterele- ment , wobei das zumindest eine Halbleiterelement in einem, insbesondere geschlossenen, Gehäuse angeordnet ist , wobei das Gehäuse zumindest teilweise mit einem riesel fähigen Werkstof f gefüllt ist , welcher elektrisch isolierende Partikel enthält und mit dem zumindest einen Halbleiterelement in unmittelbarem Kontakt steht .
Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch einen Stromrichter mit mindestens einer derartigen Halbleiteranordnung .
Überdies wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, insbesondere einer Leistungshalbleiteranordnung für einen Stromrichter, mit zumindest einem Halbleiterelement , wobei das zumindest eine Halbleiterelement in einem Gehäuse angeordnet wird, wobei das Gehäuse zumindest teilweise mit einem riesel fähigen Werkstof f , welcher elektrisch isolierende Partikel enthält , derartig befüllt wird, dass der riesel fähige Werkstof f mit dem zumindest einen Halbleiterelement in unmittelbarem Kontakt steht , wobei das Gehäuse in einem weiteren Schritt verschlossenen wird .
Darüber hinaus wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung eines riesel fähigen Werkstof fs , welcher elektrisch isolierende Partikel enthält , zum Befüllen eines Gehäuses einer Halbleiteranordnung, in welchem zumindest ein Halbleiterelement angeordnet ist , wobei das Befüllen derartig erfolgt , dass der riesel fähige Werkstof f mit dem zumindest einen Halbleiterelement in unmittelbarem Kontakt steht .
Die in Bezug auf die Halbleiteranordnung nachstehend angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf den Stromrichter, das Herstellungsverfahren und die Verwendung übertragen .
Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde , die Rezyklier- barkeit einer Halbleiteranordnung dadurch zu verbessern, dass ein üblicherweise verwendeter Weichverguss durch einen rieselfähigen Werkstoff, welcher elektrisch isolierende Partikel enthält, ersetzt wird. Ein Gehäuse der Halbleiteranordnung, in welchem zumindest ein Halbleiterelement angeordnet ist, wird zumindest teilweise mit dem rieselfähigen Werkstoff derartig befüllt, dass das Halbleiterelement mit dem rieselfähigen Werkstoff in unmittelbarem Kontakt steht. Insbesondere ist das Halbleiterelement zumindest teilweise vom rieselfähigen Werkstoff umgeben. Der rieselfähige Werkstoff kann z.B. Quarzsand, Karbonatsand, Gipssand, Silikate, aber auch organische rieselfähige Stoffe, z.B. Polymere, Siloxane enthalten. Der rieselfähige Werkstoff kann durch seine sandartige Struktur, insbesondere im Vergleich zum üblicherweise verwendeten Weichverguss, deutlich leichter entfernt werden. Ein einfaches Zerlegen zur Reparatur, zum Refurbishing oder zum Rezyklieren wird durch eine derartige rieselfähige Füllung ermöglicht. Ferner werden Materialien und energieintensive Herstellungsprozesse eingespart.
Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass die elektrisch isolierenden Partikel des rieselfähigen Werkstoffs eine Korngröße im Bereich von 0,01 mm bis 0, 6 mm, insbesondere 0,1 mm bis 0,4 mm, aufweisen. Insbesondere liegt eine mittlere Korngröße im Bereich von 0,2 mm bis 0,3 mm. Durch eine derartige Korngröße werden Luft zwischenräume minimiert und es wird unter anderem eine ausreichende Isolationswirkung erreicht. Insbesondere können Zwischenräume mit einer bimodalen oder höheren Mischungen des rieselfähigen Werkstoffs minimiert werden, was die Isolationswirkung zusätzlich verbessert.
Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass die elektrisch isolierenden Partikel des rieselfähigen Werkstoffs ein Metalloxid enthalten. Beispielsweise enthalten die elektrisch isolierenden Partikel Aluminium- und/oder Titanoxid, Glas-, Glimmer- und/oder Keramik-Partikel. Durch derartige Metalloxide ist eine gute Isolationswirkung erreichbar. Bei der Verwendung von anorganischen elektrisch isolierenden Partikeln wie Aluminiumoxid-Sand weist die Halbleiteranordnung ei- nen erhöhten Explosionsschutz auf, da anorganische Werkstoffe signifikant weniger, insbesondere kaum, Explosionsgase verursacht, folglich kein Kohlendioxid oder Wasser entsteht und Druckkräfte besser aufgenommen werden können.
Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass die elektrisch isolierenden Partikel des rieselfähigen Werkstoffs eine scharf gebrochene, insbesondere zerklüftete, Oberfläche aufweisen. Eine derartige Oberfläche führt, insbesondere im Vergleich zu einer sphärischen Struktur, zu einer Verlängerung der Kriechwege
Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass der rieselfähige Werkstoff mit einem schmelzbaren Isolationsmaterial, insbesondere einem Wachs, verfüllt ist. Hierfür kommen beispielsweise hochschmelzende Paraffine oder andere Wachse, insbesondere mit einem Schmelzpunkt oberhalb von 100°C, infrage. Beispielsweise werden Zwischenräume mit dem schmelzbaren Isolationsmaterial verfüllt, wobei das Material während des Aufschmelzens in die Partikel-Zwischenräume kriecht, die Luft verdrängt und beim Abkühlen aushärtet. Durch diesen Aufbau wird die Durchbruchspannung des Moduls wesentlich erhöht. Insbesondere ein mehrfach schmelzbares Isolationsmaterial, wie ein Wachs, ist im geschmolzenen Zustand relativ dünnflüssig und, z.B. bei einem Rezykliervorgang, einfach zu entfernen. Darüber hinaus sind Paraffine oder andere Wachse biologisch abbaubar und/oder wiederverwendbar.
Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass der rieselfähige Werkstoff mit einem isolierende Fluid verfüllt ist. Derartige isolierende Fluide sind beispielsweise Fluorkohlenwasserstoffe wie 3M Novec. Durch derartige isolierende Fluid ist ein Schlamm ausbildbar, welcher beim Zerlegen zur Reparatur, zum Refurbishing oder zum Rezyklieren einfach entfernbar ist und die Isolationswirkung verbessert. Ferner kann das isolierende Fluid ein elektrisch isolierendes Gas sein, das Zwischenräume des rieselfähigen Werkstoffs ausfüllt, um eine noch höhere Isolationswirkung zu erreichen. Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass das isolierende Fluid ein Phasenwechselmaterial enthält , wodurch Wärmespitzen abgefedert werden können .
Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass in dem Gehäuse ein einem Schaltungsträger angeordnet ist , wobei das Halbleiterelement , insbesondere mittels eines Presskontakts , kraftschlüssig mit dem Schaltungsträger verbunden ist . Ein derartiger Presskontakt kann unter anderem als Stromschiene , welche auch Busbar genannt wird, ausgeführt sein . Alternativ kann eine Feder, eine Schraube und/oder ein Bügel zur kraftschlüssigen Verbindung des Halbleiterelements zum Einsatz kommen . Ein Schaltungsträger kann unter anderem ein Substrat , insbesondere ein DCB ( Direct Copper Bonded) Substrat , sein . Eine derartige kraf tschlüssige Verbindung des Halbleiterelements ist lösbar und beim Zerlegen zur Reparatur, zum Refurbishing oder zum Rezyklieren, insbesondere in Kombination mit der Füllung aus dem riesel fähigen Werkstof f , einfach zu entfernen .
Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass das Gehäuse einen Kühlkörper umfasst auf welchem der Schaltungsträger flächig aufliegt , wobei der Schaltungsträger kraf tschlüssig mit Kühlkörper verbunden ist . Eine derartige kraf tschlüssige Verbindung ist unter anderem durch Anpressen herstellbar und erleichtert das Zerlegen beispielsweise zum Rezyklieren .
Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass der Schaltungsträger, insbesondere über eine Ölschicht , lösbar und thermisch leitfähig mit dem Kühlkörper verbunden ist . Eine derartige Ölschicht stellt eine lösbare Verbindung des Schaltungsträgers mit dem Kühlkörper her und gleicht die Oberflächenrauigkeit der Oberflächen des Kühlkörpers bzw . des Schaltungsträgers aus . Insbesondere ein thermisch leitfähiges Öl der Ölschicht verbessert die thermische Anbindung des Schaltungsträgers an den Kühlkörper . Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass das Halbleiterelement auf einer dem Schaltungsträger abgewandten Seite mindestens einen Kontakt aufweist , wobei der mindestens eine Kontakt von einem, insbesondere aufgeklebten oder aufgepressten, Kunststof f rahmen umgeben ist . Ein derartiger Kunststof frahmen verbessert , insbesondere für HV-Leistungsmodule , eine Isolationsstrecke .
Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass auf zumindest einem der Kontakte des Halbleiterelements ein metallisches Kontaktierungselement aufliegt und über einen Presskontakt zur kraf tschlüssigen Kontaktierung des Halbleiterelements angepresst wird . Beispielsweise ist das metallische Kontaktierungselement als Kupferplättchen oder Molybdänplättchen ausgeführt , das eine Dicke im Bereich von 10 pm bis 250 pm, insbesondere 25 pm bis 250 pm, aufweist . Das metallische Kontaktierungselement fungiert als Druckbuf fer, welches Druckkräfte , z . B . vom Presskontakt , verteilt , sodass das Einleiten von Druckspitzen in den empfindliche Halbleiterelement verhindert wird . Eine derartige Anordnung mit einem kraf tschlüssig verbundenen Druckbuf fer erleichtert das Zerlegen beispielsweise zum Rezyklieren .
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Aus führungsbeispiele näher beschrieben und erläutert .
Es zeigen :
FIG 1 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Aus führungs form einer Halbleiteranordnung,
FIG 2 eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Aus führungs form einer Halbleiteranordnung,
FIG 3 eine vergrößerte schematische Darstellung einer ersten Aus führungs form eines riesel fähigen Werkstof fs , FIG 4 eine vergrößerte schematische Darstellung einer zweiten Aus führungs form eines riesel fähigen Werkstof fs ,
FIG 5 eine vergrößerte schematische Darstellung einer dritten Aus führungs form eines riesel fähigen Werkstof fs ,
FIG 6 eine schematische Darstellung eines Stromrichters .
Bei den im Folgenden erläuterten Aus führungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Aus führungs formen der Erfindung . Bei den Aus führungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Aus führungs formen j eweils einzelne , unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung j eweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind . Des Weiteren sind die beschriebenen Aus führungs formen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar .
Gleiche Bezugs zeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung .
FIG 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Aus führungs form einer Halbleiteranordnung 2 mit einem Halbleiterelement 4 , welches in einem geschlossenen Gehäuse 6 angeordnet ist . Beispielsweise ist das Halbleiterelement 4 als vertikaler Transistor, insbesondere als IGBT oder vertikaler SiC-MOSFET , ausgeführt . Das Gehäuse 6 umfasst einen metallischen Kühlkörper 8 , einen Gehäuserahmen 10 mit einer Mehrzahl von Pins 12 und einem Gehäusedeckel 14 . Der Gehäuserahmen 10 und der Gehäusedeckel 14 sind beispielsweise aus einem Kunststof f hergestellt , wobei die Pins 12 in den Gehäuserahmen 10 eingegossen oder eingepresst sind . Der Kühlkörper 8 , welcher als Bodenplatte fungiert , ist beispielsweise aus Kupfer, Aluminium oder einer deren Legierungen hergestellt . Ein Schaltungsträger 16 ist flächig mit dem Kühlkörper 8 verbunden . Beispielhaft umfasst der Schaltungsträger 16 eine dielektri- sehe Materiallage 18 , welche insbesondere Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder einen organischen elektrisch isolierenden und thermisch leitfähigen Werkstof f enthält , und eine Metallisierung 20 , welche beispielsweise Kupfer, Gold, Molybdän, Silber oder eine deren Legierungen enthält . Die dielektrische Materiallage 18 kann mit dem Kühlkörper verpresst oder adhäsiv verbunden sein . Alternativ kann der Schaltungsträger 16 als Substrat , insbesondere als DCB ( Direct Copper Bonded) Substrat , ausgeführt sein, welches beispielsweise auf dem Kühlkörper 8 auf gelötet ist .
Das Halbleiterelement 4 weist einen ersten Leistungskontakt 22 , insbesondere einen Kollektor-Kontakt , und auf einer gegenüberliegenden Seite einen zweiten Leistungskontakt 24 , insbesondere einen Emitter-Kontakt , und einen Steuerkontakt 26 , insbesondere einen Gate-Kontakt , auf . Der erste Leistungskontakt 22 des Halbleiterelements 4 ist beispielsweise stof f schlüssig mit der Metallisierung 20 des Schaltungsträgers 16 verbunden . Die stof f schlüssige Verbindung des Halbleiterelements 4 mit dem Schaltungsträger 16 ist unter anderem durch Löten und/oder Sintern herstellbar . Der auf einer dem Schaltungsträger 16 abgewandten Seite des Halbleiterelements 4 angeordnete zweite Leistungskontakt 24 und Steuerkontakt 26 sind j eweils über Verdrahtungsmittel 28 mit der Metallisierung 20 des Schaltungsträgers 16 verbunden, wobei die Metallisierung 20 mit den Pins 12 des Gehäuses 6 verdrahtet ist . Auf diese Weise werden die Kontakte 22 , 24 , 26 des Halbleiterelements 4 aus dem Gehäuse 6 herausgeführt und sind über die Pins 12 von außerhalb elektrisch leitend kontaktierbar . Die Verdrahtungsmittel 28 sind beispielsweise als Bonddrähte oder Bondbänder ausgeführt , welche insbesondere durch Ultraschall-Drahtbonden verschweißt werden .
Das Gehäuse 6 ist , beispielhaft vollständig, mit einem riesel fähigen Werkstof f 30 gefüllt , welcher elektrisch isolierende Partikel enthält , mit dem Halbleiterelement 4 in unmittelbarem Kontakt steht und diesen teilweise umgibt . Der riesel fähige Werkstof f 30 kann unter anderem einen riesel fähigen Sand enthalten, der elektrisch isolierende Partikel aus einem Metalloxid, z.B. Aluminiumoxid, enthält. Zusätzlich oder alternativ kann der rieselfähige Werkstoff 30 weitere anorganische Stoffe, z.B. Quarzsand, Karbonatsand, Gipssand, Silikate, aber auch organische rieselfähige Stoffe, z.B. Polymere, Siloxane enthalten. Insbesondere weisen die elektrisch isolierenden Partikel des rieselfähige Werkstoffs 30 eine Korngröße im Bereich von 0,01 mm bis 0, 6 mm, insbesondere 0,1 mm bis 0,4 mm, auf. Eine mittlere Korngröße kann unter anderem bei 0,2 mm bis 0,3 mm liegen. Der rieselfähige Werkstoff 30 ersetzt in der Halbleiteranordnung 2 eine üblicherweise verwendete Vergussmasse, welche beispielsweise aus einem schwer entfernbaren Silikonisolationsmaterial hergestellt ist. Der rieselfähige Werkstoff 30 kann nach dem Öffnen des Gehäuses 6 leicht entfernt werden, sodass die Komponenten im Gehäuses 6 für Rezyklierungs- und Reparaturvorgänge frei zugänglich sind .
Optional kann die Sandfüllung mit dem rieselfähigen Werkstoff 30 geschichtet oder anderweitig gradiert sein, wobei die elektrisch isolierenden Partikel für eine verbesserte Trennbarkeit beispielsweise unterschiedliche Dichten aufweisen. Eine Schichtung kann z.B. zu dem Zweck verfolgen, in Bereichen mit unkritischen, elektrischen Feldern kosteneffizientere Füllmaterialien einzusetzen oder zusätzliche Funktionen wie Flammschutz, Lichtbogenlöschung oder Wärmepufferung zu realisieren.
FIG 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Aus führungs form einer Halbleiteranordnung 2 mit beispielhaft zwei Halbleiterelementen 4, welches in einem geschlossenen Gehäuse 6 angeordnet sind. Das Gehäuse 6 umfasst einen metallischen Kühlkörper 8, einen Gehäuserahmen 10 und einem Gehäusedeckel, welcher aus Gründen der Übersichtlichkeit in FIG 2 nicht dargestellt ist. Ein Schaltungsträger 16, welcher beispielhaft als DGB-Substrat ausgeführt ist und eine dielektrische Materiallage 18 mit einer beidseitigen Metallisierung 20 aufweist, liegt flächig auf dem Kühlkörper 8 auf. Der Kühlkörper weist auf einer dem DCB-Substrat abgewandten Seite Rippen 34 auf . Eine Ölschicht 36 stellt eine lösbare und thermisch leitfähige Verbindung des DCB-Substrats mit dem Kühlkörper her . Das thermisch leitfähige Öl der Ölschicht 36 gleicht die Oberflächenrauigkeit der Oberflächen des Kühlkörpers 8 bzw . des Schaltungsträgers 16 aus und verbessert somit die thermische Anbindung .
Auf den zweiten Leistungskontakten 24 der Halbleiterelemente 4 liegt j eweils ein metallisches Kontaktierungselement 40 auf . Zusätzlich oder alternativ können derartige metallische Kontaktierungselemente 40 zwischen dem Schaltungsträger 16 und dem ersten Leistungskontakt 22 der Halbleiterelemente 4 angeordnet werden . Beispielsweise sind die metallischen Kontaktierungselemente 40 als Kupferplättchen oder Molybdänplättchen ausgeführt , die j eweils eine Dicke im Bereich von 25 pm bis 250 pm aufweisen . Alternativ werden die metallischen Kontaktierungselemente 40 stof f schlüssig, beispielsweise durch Löten oder Sintern, mit dem j eweiligen Halbleiterelement 4 verbunden . Ferner können die metallischen Kontaktierungselemente 40 mittels eines thermischen Spritzverfahrens , insbesondere in Form von Kupfer- und/oder Molybdänpartikeln, aufgesprüht werden .
Mittels Presskontakten 38 , welche über die metallischen Kontaktierungselemente 40 mit den zweiten Leistungskontakten 24 der Halbleiterelemente 4 kontaktiert werden, werden die Halbleiterelemente 4 kraf tschlüssig und lösbar mit der Metallisierung 20 des Schaltungsträgers 16 verbunden . Die Presskontakte 38 sind in FIG 2 als Stromschienen, welche auch Busbars genannt werden, ausgeführt . Beispielsweise werden die Stromschienen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt . Zusätzlich oder alternativ können die Presskontakte 38 einen Federkontakt aufweisen . Über die Stromschienen wird eine orthogonal zur Oberfläche des Schaltungsträgers 16 wirkende Kraft F übertragen, mittels welcher die Halbleiterelemente 4 fixiert werden . Das Gehäuse 6 ist , wie in FIG 1 gezeigt , mit einem riesel fähigen Werkstof f 30 gefüllt , welcher elektrisch isolierende Partikel enthält und mit den Halbleiterelementen 4 in unmittelbarem Kontakt steht und diese teilweise umgibt. Beispielhaft enthält der rieselfähigen Werkstoff 30 Quarzsand und/oder Aluminiumoxid-Sand . Optional ist der rieselfähige Werkstoff 30 im Bereich des Gehäusedeckels ganz oder teilweise mit einer Folie bedeckt, die beispielsweise durch ein elastisches Zwischenelement, insbesondere einem Polymerschaum, an den rieselfähigen Werkstoff 30 angedrückt wird. Alternativ wird das elastische Zwischenelement unmittelbar auf den rieselfähigen Werkstoff 30 aufgepresst, sodass ein Verrieseln und somit die Entstehung von Hohlräumen verhindert werden. Gleichzeitig wird eine Nachverdichtung erreicht, was die Isolationswirkung erhöht und sich folglich positiv auf die Betriebssicherheit auswirkt.
Insbesondere für HV-Leistungsmodule sind die zweiten Leistungskontakte 24 der Halbleiterelemente 4 von einem aufgeklebten oder auf gepressten Kunststoff rahmen 42 umgeben, um eine Isolationsstrecke zu verbessern. Alternativ kann der Kunststoff rahmen 42 additiv, beispielsweise durch Dispensen oder ein 3D-Druck-Verf ahren, aufgebracht werden. Um Lufteinschlüsse beim Einrieseln des rieselfähigen Werkstoffs 30 zu verhindern, können, beispielsweise in den Presskontakten 38, Bohrungen angebracht werden. Die weitere Ausführung der Halbleiteranordnung 2 in FIG 2 entspricht der Ausführung in FIG 1.
FIG 3 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung einer ersten Aus führungs form eines rieselfähigen Werkstoffs 30, der einen Sand enthält, welcher elektrisch isolierende Partikel 44 mit einer sphärischen Struktur und geringer Korngröße im Bereich von 0,01 mm bis 0, 6 mm, insbesondere 0,1 mm bis 0,4 mm, aufweist, was das Einrieseln erleichtert und die Wahrscheinlichkeit von Lufteinschlüssen verringert. Beispielsweise enthält der rieselfähige Werkstoff 30 Quarzsand, insbesondere Sicherungssand. Die weitere Ausführung des rieselfähigen Werkstoffs 30 entspricht der in FIG 1. FIG 4 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung einer zweiten Aus führungs form eines rieselfähigen Werkstoffs 30, welcher elektrisch isolierenden Partikel 44 mit einer scharf gebrochenen, idealerweise zerklüfteten, Oberfläche aufweist. Durch eine derartige Oberflächenbeschaffenheit werden Kriechstrecken 46, insbesondere im Vergleich zu einer sphärischen Struktur, verlängert. Die weitere Ausführung des rieselfähigen Werkstoffs 30 in FIG 4 entspricht der in FIG 3.
FIG 5 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung einer dritten Aus führungs form eines rieselfähigen Werkstoffs 30, - welcher mit einem schmelzbaren Isolationsmaterial, insbesondere mit einem Wachs, verfüllt ist. Hierfür kommen hochschmelzende Paraffine oder andere Wachse mit einem Schmelzpunkt oberhalb von 100°C infrage. Zusätzlich oder alternativ ist der rieselfähige Werkstoffs 30 mit einem isolierende Fluid, welches Fluorkohlenwasserstoffe, z.B. 3M Novec enthält, verfüllt. Durch das isolierende Fluid wird ein Schlammbildung ausgebildet. Das isolierende Fluid kann als Phasenwechsel- Material ausgeführt sein, um Wärmespitzen abzufedern. Um eine verbesserte Teilentladungsfestigkeit zu gewährleisten und so die Lebensdauer der Halbleiteranordnung 2, kann der rieselfähige Werkstoff 30 einen Werkstoff mit einer hohen Festigkeit gegen Teilentladungen, z.B. Glimmer, enthalten. Die weitere Ausführung des rieselfähigen Werkstoffs 30 in FIG 5 entspricht der in FIG 3. Die Partikel 44 des rieselfähigen Werkstoffs 30 in FIG 5 können zumindest teilweise eine scharf gebrochene, idealerweise zerklüftete, Oberfläche wie in FIG 4 gezeigt, aufweisen.
FIG 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Stromrichters 50, welcher eine Halbleiteranordnung 2 umfasst. Der Stromrichter 50 kann mehr als eine Halbleiteranordnung 2 umfassen .
Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Halbleiteranordnung 2, insbesondere Leistungshalbleiteranordnung für einen Stromrichter 50, mit zumindest einem Halbleiterelement 4, wo- bei das zumindest eine Halbleiterelement 4 in einem, insbesondere geschlossenen, Gehäuse 6 angeordnet ist . Um die Rezyklierbarkeit einer Halbleiteranordnung 2 zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass das Gehäuse 6 zumindest teilweise mit einem riesel fähigen Werkstof f 30 gefüllt ist , welcher elektrisch isolierende Partikel 44 enthält und mit dem zumindest einen Halbleiterelement 4 in unmittelbarem Kontakt steht .

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiteranordnung (2) , insbesondere Leistungshalbleiteranordnung für einen Stromrichter (50) , mit zumindest einem Halbleiterelement (4) , wobei das zumindest eine Halbleiterelement (4) in einem, insbesondere geschlossenen, Gehäuse (6) angeordnet ist, wobei das Gehäuse (6) zumindest teilweise mit einem rieselfähigen Werkstoff (30) gefüllt ist, welcher elektrisch isolierende Partikel (44) enthält und mit dem zumindest einen Halbleiterelement (4) in unmittelbarem Kontakt steht.
2. Halbleiteranordnung (2) nach Anspruch 1, wobei die elektrisch isolierenden Partikel (44) des rieselfähigen Werkstoffs (30) eine Korngröße im Bereich von 0,01 mm bis 0, 6 mm, insbesondere 0,1 mm bis 0,4 mm, aufweisen.
3. Halbleiteranordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die elektrisch isolierenden Partikel (44) des rieselfähigen Werkstoffs (30) ein Metalloxid enthalten.
4. Halbleiteranordnung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die elektrisch isolierenden Partikel (44) des rieselfähigen Werkstoffs (30) eine scharf gebrochene, insbesondere zerklüftete, Oberfläche aufweisen.
5. Halbleiteranordnung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der rieselfähige Werkstoff (30) mit einem schmelzbaren Isolationsmaterial, insbesondere einem Wachs, verfüllt ist.
6. Halbleiteranordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der rieselfähige Werkstoff (30) mit einem isolierenden Fluid verfüllt ist.
7. Halbleiteranordnung (2) nach Anspruch 4, wobei das isolierende Fluid ein Phasenwechselmaterial enthält .
8. Halbleiteranordnung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei in dem Gehäuse (6) ein Schaltungsträger (16) angeordnet ist, wobei das Halbleiterelement (4) , insbesondere mittels eines Presskontakts (38) , kraf tschlüssig mit dem Schaltungsträ- ger (16) verbunden ist.
9. Halbleiteranordnung (2) nach Anspruch 8, wobei das Gehäuse (6) einen Kühlkörper (8) umfasst auf welchem der Schaltungsträger (16) flächig aufliegt, wobei der Schaltungsträger (16) kraf tschlüssig mit Kühlkörper (8) verbunden ist.
10. Halbleiteranordnung (2) nach Anspruch 9, wobei der Schaltungsträger (16) , insbesondere über eine Ölschicht (36) , lösbar und thermisch leitfähig mit dem Kühlkörper (8) verbunden ist.
11. Halbleiteranordnung (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Halbleiterelement (4) auf einer dem Schaltungsträ- ger (16) abgewandten Seite mindestens einen Kontakt (22, 24, 26) aufweist, wobei der mindestens eine Kontakt (22, 24, 26) von einem, insbesondere aufgeklebten oder auf gepressten, Kunststoff rahmen (42) umgeben ist.
12. Halbleiteranordnung (2) nach Anspruch 11, wobei auf zumindest einem der Kontakte (22, 24, 26) des Halbleiterelements (4) ein metallisches Kontaktierungselement (40) aufliegt und über einen Presskontakt (38) zur kraf tschlüssigen Kontaktierung des Halbleiterelements (4) angepresst wird.
13. Stromrichter (50) mit mindestens einer Halbleiteranordnung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche.
14. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung (2) , insbesondere einer Leistungshalbleiteranordnung für einen Stromrichter (50) , mit zumindest einem Halbleiterelement (4) , wobei das zumindest eine Halbleiterelement (4) in einem Gehäuse (6) angeordnet wird, wobei das Gehäuse (6) zumindest teilweise mit einem rieselfähigen Werkstoff (30) , welcher elektrisch isolierende Partikel enthält, derartig befüllt wird, dass der rieselfähige Werkstoff (30) mit dem zumindest einen Halbleiterelement (4) in unmittelbarem Kontakt steht, wobei das Gehäuse (6) in einem weiteren Schritt verschlossenen wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der rieselfähige Werkstoff (30) mit einem schmelzbaren Isolationsmaterial, insbesondere einem Wachs, verfüllt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der rieselfähige Werkstoff (30) mit einem isolierende Fluid verfüllt wird.
17. Verwendung eines rieselfähigen Werkstoffs (30) , welcher elektrisch isolierende Partikel enthält, zum Befüllen eines Gehäuses (6) einer Halbleiteranordnung (2) , in welchem zumin- dest ein Halbleiterelement (4) angeordnet ist, wobei das Befüllen derartig erfolgt, dass der rieselfähige Werkstoff (30) mit dem zumindest einen Halbleiterelement (4) in unmittelbarem Kontakt steht.
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