WO2006042766A1 - Bauelemente-modul für hochtemperaturanwendungen und verfahren zum herstellen eines derartigen bauelemente-moduls - Google Patents

Bauelemente-modul für hochtemperaturanwendungen und verfahren zum herstellen eines derartigen bauelemente-moduls Download PDF

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WO2006042766A1
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Wolfram Hasert
Stefan Hornung
Stefan Bachmann
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • Component module for high-temperature applications and method for producing such a component module
  • the invention relates to a component module for Hochtemperatur ⁇ applications and a method for producing such a Bau ⁇ elements module.
  • power electronics are often injected or gold-plated into housings made of low-pressure epoxy molding compounds (masses), whereby a secure packaging is achieved.
  • massive low-pressure epoxy molding compounds
  • Chip and its bonding wires or Bond ⁇ compounds are completely surrounded by the molding compound and thus ver ⁇ encapsulated.
  • the component module according to the invention and the method for its production have some advantages.
  • a sandwich-type stack of two metal-coated substrates, at least two components sandwiched between them and at least one connection device is dissolved and injected in a special molding compound.
  • DBC direct bonded copper
  • substrates in which copper stamped gratings are soldered onto the ceramic plates 1.1, 2.1 as copper layers or aluminum-aluminum-aluminum-aluminum substrates can be used as metal-coated substrates.
  • the molding compound in this case has a high glass transition temperature of over 190 C 0 and spherical or spherical mineral Fin ⁇ to the body.
  • the fillers in this case form 80 to 90% of the molding compound, so that they largely determine their thermal expansion behavior; Through their isotropic expansion behavior, a low stress entry into the components is made possible over the high-temperature region according to the invention and thus the crack formation is effectively prevented.
  • the spherical, differently sized fillers do not clog the access to the intermediate structures.
  • a better filling than by singular grain size values or narrower range widths is furthermore achieved, since the different sized balls enable improved rolling on other balls as well as on the substrates and the components.
  • this effect is markedly improved by the use of merely spherical packing bodies and without aspherical, ground filling bodies, as used in conventional molding compositions.
  • a thermal coefficient Ausdehnungskoeffi- be formed, between the one of the substrates and that of the components located, ie in the range of 5 * 10 "6 to 15 * 10" 6 1 / K; the expansion coefficient is determined by the filler content, ie by mineral material.
  • suitable resins and curing agents are employed that provide sufficiently high glass transition temperatures of greater than / equal to 190 C 0, for example, about 200 C 0 secure.
  • the flame retardant is advantageously achieved without the use of red phosphorus or halogen-containing compounds and Sb oxides.
  • Fig. 2 is a vertical section through the soldered sandwich stack on the
  • Fig. 5 is a graph of the weight distribution in weight percent G% of
  • first power components 3 are accommodated between a lower first DBC substrate 1 and an upper second DBC substrate 2, whereby a sandwich stack 4 is formed.
  • the DBC substrates 1 and 2 each have a ceramic plate 1.1 or 2.1 and a lower copper coating 1.2 or 2.2 and an upper copper coating 1.3 or 2.3.
  • the substrates 1 and 2 thus serve as
  • Circuit carrier with their copper layers 1.2, 1.3, 2.2, 2.3 are structured accordingly to implement the application-specific circuit.
  • the contacting of the sandwich stack 4 with a base plate 12 is already carried out during assembly by placing a soldering plate 6 between the base plate 12 and the lower copper layer 1.2 of the lower substrate 1.
  • the stack thus formed is subsequently baked or soldered in an oven so that the soldering plates according to FIG. 2 form soldering layers 6. the.
  • the structural widths of intermediate structures 16 which occur in the sandwich stack 4 in the soldered state and which are limited upwardly and downwardly by the substrates 1, 2 and laterally or to the sides by the incorporated components 3, 4, 9, are within the scope from about 30 microns to 500 microns.
  • the sandwich stack thus formed is encapsulated with a molding compound 14 in a transfer molding process in which the molding compound flows over flow path lengths of up to 60 mm, as shown in FIG. 3.
  • the molding compound thus forms a mold body 14, which covers the sandwich stack 4 upwards and to the sides and correspondingly covers a part of the upper side of the base plate 12.
  • the molding compound of the mold body 14 also enters the intermediate structures 16 in the lateral direction.
  • the mold body 14 is formed without damaging the components 8, 9, 3 and the substrates 1, 2, with no defects such as voids, cracks in the molding compound and pronounced weld lines occur.
  • the mold body 14 protects the electronics from external influences and ensures their function over the service life.
  • the molding compound for the molded body 14 has a processing viscosity in the range from 5 Pas to 15 Pas.
  • the molding compound comprises an epoxy-based resin, e.g. an MFR (Multi Functional Resin), OCN (Ortho Cresol Novolac), BP (Biphenyl), MAR (Multi Aromatic Resin), DCPD (Dicyclopentadiene), BMI (Bis.
  • the hardener may e.g. PN (phenolic novolac), MAR or MFR.
  • spherical or spherical mineral fillers for example SiO 2, Al 2 O 3 or AlN having a grain size distribution in the range from 1 to 75 ⁇ m, such as, for example, US Pat 5, in which the percentages by weight G% are plotted against the particle sizes or diameters di.
  • the grain size of the main portion of the grains is in the range from 20 to 50 ⁇ m.
  • the thermal expansion coefficient (CTE) of the molding compound between the CTEs of the substrates 1, 2 and the components 3, 8, 9 is set for the desired high temperature compatibility.
  • CTE thermal expansion coefficient
  • a CTE in the range of 5 * 10 "6 to 15 * 10 " 6 1 / K, in particular 8 * 10 "6 to 12 * 10 " 6 1 / K is advantageously sought, which is characterized by a high filler content in the range of 80 to 90 percent by weight, eg about 86 percent by weight.
  • the glass transition point Tg of the molding compound is above the maximum application temperature, ie at greater than or equal to 19O 0 C, preferably greater than / equal to 200 ° C.
  • adhesion of the molding compound over life is provided on all occurring surfaces of the module stack.
  • adhesion promoters are added to the molding compound, which has an adhesion to the occurring metals, ie Ni, Cu, Au, Ag, Sn, Zn, Pd, Pt, and the ceramic or composite / sintered materials, ie Al 2 O 3 , SiO 2 Make sure, AIN, AISiC.
  • the shear strengths are in the range of 5 to 25 N / mm 2 .
  • the molding compound has a high ionic purity, in particular with respect to the ions K, Na, Li, Cl, Br, since there is direct contact between the molding compound of the molding body 14 and the chips 3 and thus Contact corrosion and thus electrical errors can be avoided NEN; the ionic contamination is below 15 ppm.
  • the resin is an MFR epoxy resin.
  • the hardener used is MFR and PN.
  • the filler content is 85% with the particle size distribution of the particle sizes di according to FIG. 5.
  • the flameproofing is achieved by polyphosphates and / or metal oxides.
  • the melt viscosity is 9.5 Pas.
  • Glass transition temperature Tg is 10 * 10 "6 1 / K
  • the coefficient of expansion (CTE2) above Tg is 45 * 10 " 6 1 / K.
  • the glass transition point Tg is greater than or equal to 195 C 0 .
  • the adhesion values are: on Cu: 15 N / mm 2 , on Ni and Au: 5 N / mm 2 , on Ag 7 N / mm 2 .
  • a Tem ⁇ per-step (post-mo- ring curing, PMC) may subsequently take place in order to achieve the maximum possible degree of crosslinking of the molding compound. This results in the component module 20 shown in FIG.
  • Fig. 4 shows the TMA (coefficient of thermal expansion) curve of a suitable molding compound with MFR resin as base and 85% by weight filler content, as expansion in ⁇ m over temperature.
  • Fig. 5 shows the weight distribution in weight percent up to the respective grain size.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauelemente-Modul (20) für Hochtemperatur-Anwendungen und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Das erfindungsgemäße Bauelemente-Modul weist mindestens auf: eine Grundplatte (12), zwei beidseitig metallbeschichtete Substrate (1, 2), wobei das untere Substrat (1) auf der Grundplatte befestigt ist, mindestens zwei mikrostrukturierte Hochtemperatur-Bauelementen (3), die zwischen den beiden Substraten (1, 2) angeordnet und über Lotschichten (6) mit den Metallbeschichtungen (1.3, 2.2) der Substrate kontaktiert sind, einen Moldkörper (14), der auf der Grundplatte (12) angeordnet ist und die Substrate (1, 2) und Hochtemperatur-Bauelemente (3) vollständig und eine Anschlusseinrichtung (8, 9) teilweise umgibt, wobei zwischen den Substraten und den Bauelementen (3) ausgebildete Zwischenstrukturen (16) mit der Moldmasse des Moldkörpers (14) vollständig gefüllt sind, die aufweist: - eine Glasübergangstemperatur größer/gleich 190 C°, - eine Verarbeitungsviskosität von 5 bis 15 Pas, - zwischen 80 und 90 Gewichtsprozent Füllmaterial aus sphärischen, mineralischen Füllkörpern mit Durchmessern überwiegend im Bereich zwischen 20 und 50 µm.

Description

Bauelemente-Modul für Hochtemperaturanwendungen und Verfah- ren zum Herstellen eines derartigen Bauelemente-Moduls
Die Erfindung betrifft ein Bauelemente-Modul für Hochtemperatur¬ anwendungen und ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Bau¬ elemente-Moduls.
Leistungselektronik wird zum Schutz vor äußeren Umwelteinflüs¬ sen oftmals in Gehäuse aus Epoxid-Niederdruckpressmassen (MoId- massen) eingespritzt bzw. eingemoldet, wodurch eine sichere Verpa¬ ckung erreicht wird. Hierbei wird in der Regel ein einzelner Chip auf ei- nem Substrat kontaktiert und nachfolgend eingemoldet, so dass der
Chip und die seiner Kontaktierung dienenden Bonddrähte bzw. Bond¬ verbindungen vollständig von der Moldmasse umgeben und somit ver¬ kapselt sind.
Durch derartige Module können jedoch nur geringe Leistungen und wenige Funktionen erreicht werden. Daher sind komplexere Multichip- Verpackungen bekannt, welche jedoch oftmals nicht die Anforderungen an eine hohe Zuverlässigkeit auch bei höheren Temperaturen erfüllen, wie es z. B. im Automotive-Bereich erforderlich ist.
Insbesondere für Hochstromanwendungen, bei denen Temperatu¬ ren teilweise über 200 C0 auftreten, ist der Einsatz der Moldmassen oftmals nicht zufriedenstellend. Herkömmliche Epoxid-Massen weisen in der Regel Glasübergangstemperaturen (Tg) von unter 170 C0 auf und sind mit halogenhaltigen Flammschutzmitteln ausgerüstet, die den zu¬ künftigen Umwelt- und Gesundheitsrichtlinien nicht entsprechen. Auch tritt innerhalb der hohen Temperaturbereiche und des unterschiedlichen Ausdehnungsverhaltens der Moldmasse und der Bauelemente oftmals ein Delaminieren bzw. eine Rissbildung des Moldmaterials gegenüber den Substraten und Bauelementen auf. Bei der Anordnung mehrerer Leistungsbauelemente, z.B. Power-MOSFETs, treten kleinste Spalte von z.B. 30 μm über größere Fließweglängen von z.B. bis zu 60 mm auf, die beim Spritzen bzw. Molden nur unvollständig gefüllt werden können, so dass das gemoldete Modul zur Rissbildung innerhalb des möglichen Temperaturbereichs neigt.
Das erfindungsgemäße Bauelemente-Modul und das Verfahren zu seiner Herstellung weisen demgegenüber einige Vorteile auf. Erfin¬ dungsgemäß wird ein Stapel in Sandwich-Bauweise aus zwei metallbe¬ schichteten Substraten, mindestens zwei zwischen diesen aufgenom¬ menen Bauelementen und mindestens einer Anschlusseinrichtung gelö¬ tet und in einer speziellen Moldmasse eingespritzt. Durch diese Bau- weise wird gegenüber bondgelöteten und vergelten Modulen auch der
Einsatz kleinerer Elektronikbausteine, z. B. mehrerer PowerMOSFETs, möglich. Als metallbeschichtete Substrate können insbesondere DBC (direct bonded copper)-Substrate, bei denen Kupferstanzgitter als Kup¬ ferschichten auf die Keramikplatten 1.1 , 2.1 aufgelötet sind, oder Alumi- um-Aluminiumoxid-Aluminium-Substrate verwendet werden.
Die Moldmasse weist hierbei eine hohe Glasübergangstemperatur von über 190 C0 und sphärische bzw. kugelförmige, mineralische Füll¬ körper auf. Die Füllkörper bilden hierbei 80 bis 90 % der Moldmasse, so dass sie deren thermisches Ausdehnungsverhalten weitgehend bestimmen; durch ihr isotropes Ausdehnungsverhalten wird über den erfindungsgemäßen Hochtemperaturbereich ein geringer Stresseintrag in die Bauelemente ermöglicht und somit die Rissbildung wirksam ver¬ hindert. Hierbei wurde erfindungsgemäß erkannt, dass eine geeignete Korngrößenverteilung der sphärischen Füllkörper mit Durchmessern von 1 bis 75 μm und überwiegend - d.h. bei mehr als 50% aller Füllkör¬ per - im Bereich von 20 bis 50 μm, und weiterhin eine hinreichend ge- ringe Verarbeitungsviskosität von 5 bis 15 Pas überraschender weise ein gutes Einmolden und ein sicheres Ausfüllen der Zwischenstrukturen bzw. Zwischenräume auch im Bereich von 30 bis 500 μm ermöglichen. Weiterhin wird eine Beschädigung der elektronischen Bauteile in die- sem Viskositätsbereich vermieden.
Die sphärischen, unterschiedlich großen Füllkörper verstopfen hierbei auch nicht die Zugänge zu den Zwischenstrukturen. Durch die erfindungsgemäße Bereichsbereite der Korngrößenverteilung wird wei- terhin ein besseres Ausfüllen als durch singuläre Korngrößenwerte oder schmalere Bereichsbreiten erreicht, da die unterschiedlich großen Ku¬ geln ein verbessertes Abrollen an anderen Kugeln sowie an den Sub¬ straten und den Bauelementen ermöglichen. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass diese Wirkung durch Verwendung lediglich sphärischer Füllkörper und ohne asphärische, gemahlene Füllkörper, wie sie bei herkömmlichen Moldmassen verwendet werden, deutlich verbessert ist.
Da bei der erfindungsgemäßen Korngrößenverteilung der sphäri¬ schen Füllkörper ein gleichmäßiges Ausfüllen auch sehr kleiner Zwi- schenstrukturen mit den Füllkörpern ermöglicht wird, unterscheidet sich das Wärmeausdehnungsverhalten dieser gefüllten Zwischenstrukturen nicht von demjenigen der großbereichigen Moldmasse.
Erfindungsgemäß kann somit ein thermischer Ausdehnungskoeffi- zient ausgebildet werden, der zwischen demjenigen der Substrate und demjenigen der Bauelemente liegt, d.h. im Bereich von 5*10"6 bis 15 *10"6 1/K; der Ausdehnungskoeffizient wird hierbei durch die den Füll¬ stoffanteil, d.h. durch mineralisches Material, bestimmt.
Als Harzsysteme werden geeignete Harze und Härter verwendet, die hinreichend hohe Glasübergangstemperaturen von größer/gleich 190 C0, z.B. ca. 200 C0 sicher stellen. Der Flammschutz wird vorteilhafterweise ohne den Einsatz von ro¬ tem Phosphor oder halogenhaltigen Verbindungen und Sb-Oxiden er¬ reicht. Hierzu werden Metalloxide, Metallhydroxide, MAR (Multiaromati- 5 scher Harz mit inhärentem Flammschutz) oder Polyphosphate einge¬ setzt.
Die Haftung der Moldmasse an den auftretenden Substratoberflä¬ chen und Oberflächen der Bauelemente, d.h. den relevanten Metallen
10 und keramischen oder Composite /Sinter- Werkstoffen, wird durch ge¬ eignete Haftungsmodizierer bzw. Haftvermittler erreicht, so dass Scher¬ festigkeit von 5 bis 25 N/mm2 eingestellt werden. Die Ausbildung von Kontaktkorrosion und somit elektrischen Fehlern wird durch eine hohe lonenreinheit gegenüber den relevanten Ionen erreicht.
15
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeich¬ nungen an einer Ausführungsform erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische, auseinandergezogene Darstellung des Sandwich-
20 Stapels aus Substraten und Bauelementen vor dem Löten,
Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch den gelöteten Sandwich-Stapel auf der
Grundplatte,
f3§. 3 einen entsprechenden Vertikalschnitt des gemoldeten Bauelemente-
Moduls,
Fig. 4 ein Diagramm der thermischen Ausdehnung Δl in μm in Abhängigkeit der Temperatur der Moldmasse einer Ausführungsform zur Veran- 30 schaulichung des Wärmeausdehnungskoeffizienten, Fig. 5 ein Diagramm der Gewichtsverteilung in Gewichts-Prozent G % des
Füllmaterials in Abhängigkeit der Korngröße di.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauelemente-Moduls 5 werden zunächst zwischen einem unteren ersten DBC-Substrat 1 und einem oberen zweiten DBC-Substrat 2 Leistungsbauelemente 3 aufge¬ nommen, wodurch ein Sandwich-Stapel 4 gebildet wird. Hierbei weisen die DBC-Substrate 1 und 2 jeweils eine Keramikplatte 1.1 bzw. 2.1 und eine untere Kupferbeschichtung 1.2 bzw. 2.2 sowie eine obere Kupfer- 10 beschichtung 1.3 bzw. 2.3 auf. Die Substrate 1 und 2 dienen somit als
Schaltungsträger, wobei ihre Kupferschichten 1.2, 1.3, 2.2, 2.3 entspre¬ chend strukturiert sind, um die applikationsspezifische Schaltung zu realisieren.
15 Gemäß Fig. 2 werden bei der Bestückung auf die obere Schicht
1.3 des unteren DBC-Substrates 1 Lötplatten 6 gelegt, auf die die Leis¬ tungsbauelemente 3 sowie mindestens eine Anschlusseinrichtung, z.B. Leistungsanschlüsse 8 und Signal-/Sensoranschlüsse 9, und gegebe¬ nenfalls weitere Bauelemente gelegt werden. Weiterhin werden auf die
20 obere Schicht 1.3 Umkontaktierungen 10 zur Kontaktierung mit entspre¬ chenden Bereichen der unteren Kupferschicht 2.2 des oberen DBC- Substrates 2 gesetzt. Auf die Leistungsbauelemente 3 und die Signal- /Sensoranschlüsse 9 werden wiederum Lötplatten 6 gelegt, auf die das zweite Substrat 2 mit seiner unteren Kupferschicht 2.2 gelegt wird.
25
Erfindungsgemäß wird bei der Bestückung bereits auch die Kon¬ taktierung des Sandwichstapels 4 mit einer Grundplatte 12 vorgenom¬ men, indem eine Lötplatte 6 zwischen die Grundplatte 12 und die untere Kupferschicht 1.2 des unteren Substrates 1 gelegt wird.
30
Der so gebildete Stapel wird nachfolgend in einem Ofen gebacken bzw. verlötet, so dass die Lötplatten gemäß Fig. 2 Lötschichten 6 bil- den. Die in dem Sandwichstapel 4 im gelöteten Zustand auftretenden Strukturbreiten von Zwischenstrukturen 16, die nach oben und unten durch die Substrate 1 ,2 und lateral bzw. zu den Seiten hin durch die aufgenommenen Bauelemente 3, 4, 9 begrenzt werden, liegen im Be- reich von etwa 30 μm bis 500 μm.
Nachfolgend wird der so gebildete Sandwichstapel in einem Trans¬ fer-Molding-Verfahren, bei dem die Moldmasse über Fließweglängen bis zu 60 mm fließt, mit einer Moldmasse 14 verkapselt, wie Fig. 3 zu entnehmen ist. Die Moldmasse bildet somit einen Moldkörper 14, der den Sandwichsstapel 4 nach oben und zu den Seiten hin bedeckt und entsprechend einen Teil der Oberseite der Grundplatte 12 bedeckt. Die Moldmasse des Moldkörpers 14 gelangt hierbei in lateraler Richtung auch in die Zwischenstrukturen 16. Der Moldkörper 14 wird hierbei ohne Beschädigung der Bauelemente 8, 9, 3 und der Substrate 1 , 2 ausge¬ bildet, wobei in der Moldmasse keine Fehlstellen wie Lunker, Risse und ausgeprägte Bindenähte auftreten. Der Moldkörper 14 schützt die Elekt¬ ronik vor äußeren Einflüssen und gewährleistet deren Funktion über die Lebensdauer.
Die Moldmasse für den Moldkörper 14 weist erfindungsgemäß eine Verarbeitungsviskosität im Bereich von 5 Pas bis 15 Pas auf. Hierzu weist die Moldmasse ein Harz auf Epoxid-Basis auf, z.B. ein MFR (Multi Functional Resin, OCN (Ortho Cresol Novolac), BP (Biphenyl), MAR (Multi Aromaten Resin), DCPD (Dicylopentadien), BMI (Bis.-
Maleinimid). Der Härter kann z.B. PN (Phenolnovolak), MAR oder MFR sein.
Um die oben angegebene Verarbeitungsviskosität von 5 bis 15 Pas zu erreichen, werden erfindungsgemäß kugelförmige bzw. sphäri¬ sche, mineralische Füllstoffe, z.B. Siθ2, AI2O3 oder AIN mit einer Korn¬ größenverteilung im Bereich von 1 bis 75 μm verwendet, wie z.B. der Fig. 5 zu entnehmen ist, in der die Gewichtsprozente G% gegenüber den Korngrößen bzw. Durchmessern di aufgetragen sind. Erfindungs¬ gemäß liegt die Korngröße des Hauptanteils der Körner im Bereich von 20 bis 50 μm.
Weiterhin wird für die angestrebte Hochtemperaturverträglichkeit der thermische Ausdehnungskoeffizient (CTE) der Moldmasse zwischen den CTEs der Substrate 1 , 2 und der Bauelemente 3, 8, 9 eingestellt. Hierzu wird vorteilhafterweise ein CTE im Bereich von 5 * 10"6 bis 15 * 10"6 1 /K, insbesondere 8 * 10"6 bis 12 * 10"6 1 /K angestrebt, was durch ein hohen Füllstoffanteil im Bereich von 80 bis 90 Gewichts-Prozent, z.B. etwa 86 Gewichts- Prozent, erreicht wird.
Durch spezielle Harz-/Härtesysteme wird erreicht, dass der Glas- Übergangspunkt Tg der Moldmasse oberhalb der maximalen Anwen¬ dungstemperatur liegt, d.h. bei größer/gleich 19O 0 C, vorzugsweise größer/gleich 200 ° C.
Weiterhin wird ein Haftung der Moldmasse über Lebensdauer auf allen auftretenden Oberflächen des Modulstapels vorgesehen. Hierzu werden Haftvermittler der Moldmasse zugegeben, die eine Haftung auf den auftretenden Metallen, d.h. Ni, Cu, Au, Ag, Sn, Zn, Pd, Pt, und den keramischen oder Composite/Sinter-Werkstoffen, d.h. AI2O3, Siθ2, AIN, AISiC sicher stellen. Die Scherfestigkeiten liegen hierbei im Bereich von 5 bis 25 N/mm2. Somit wird eine optimale Haftung sowohl zu den Sub¬ straten 1 , 2 als auch den Bauelementen 3, 8, 9 erreicht. Die Haftung ist hierbei auch nach Temperaturwechselbelastung und Feuchtelagerung noch gewährleistet.
Die Moldmasse weist eine hohe lonenreinheit insbesondere be¬ züglich der Ionen K, Na, Li, Cl, Br auf, da ein direkter Kontakt zwischen der Moldmasse des Moldkörpers 14 und den Chips 3 besteht und somit Kontaktkorrosion und damit elektrische Fehler vermieden werden kön¬ nen; die lonenverunreinigung liegt hierbei unter 15 ppm.
Ein Bespiel für eine geeignete Moldmasse ist wie folgt:
Das Harz ist ein MFR-Epoxid-Harz. Als Härter wird MFR und PN gewählt. Der Füllstoffgehalt liegt bei 85 % mit der Korngrößenverteilung der Korngrößen di gemäß Fig. 5. Der Flammschutz wird durch PoIy- phosphate und/oder Metalloxide erreicht. Die Schmelzviskosität liegt bei 9,5 Pas. Der thermische Ausdehnungskoeffizient (CTE 1 ) unterhalb der
Glasübergangstemperatur Tg liegt bei 10 * 10"6 1/K, der Ausdehnungs¬ koeffizient (CTE2) oberhalb Tg liegt bei 45 * 10"6 1/K. Hierbei ist der Glasübergangspunkt Tg größer/gleich 195 C0. Die Haftungswerte sind: auf Cu: 15 N/mm2, auf Ni und Au: 5 N/mm2, auf Ag 7 N/mm2.
Nach dem Transfer-Molding-Prozess kann nachfolgend ein Tem¬ perschritt (Post MoId Curing, PMC) stattfinden, um den maximal mögli¬ chen Vernetzungsgrad der Moldmasse zu erreichen. Es ergibt sich das in Fig. 3 gezeigte Bauelemente-Modul 20.
Fig. 4 zeigt die TMA (Wäremausdehungskoeffizient) -Kurve einer geeigneten Moldmasse mit MFR-Harz als Basis und 85 Gewichts-% Füllstoffgehalt, als Expansion in μm über die Temperatur. Fig. 5 zeigt die Gewichtsverteilung in Gewichtsprozent bis zu der betreffenden Korngröße.

Claims

Patentansprüche
1. Bauelemente-Modul (20) für Hochtemperatur-Anwendungen, das min¬ destens aufweist: eine Grundplatte (12), ein erstes Substrat (1 ), das eine Keramikplatte (1.1) mit einer unteren Metallbeschichtung (1.2) und einer oberen Metallbeschichtung (1.3) auf¬ weist und mit der unteren Metallbeschichtung (1.2) über eine Lotschicht (6) an der Grundplatte (12) befestigt ist, ein zweites Substrat (2), das eine zweite Keramikplatte (2.1 ) mit einer unteren Metallbeschichtung (2.2) und einer oberen Metallbeschichtung (2.3) aufweist, mindestens zwei mikrostrukturierte Hochtemperatur-Bauelemente (3), die zwischen den beiden Substraten (1 , 2) angeordnet und über Lot- schichten (6) mit der unteren Metallbeschichtung (2.2) des oberen Sub¬ strates (2) und der oberen Metallbeschichtung (1.3) des unteren Sub¬ strates (1 ) kontaktiert sind, mindestens eine Anschlusseinrichtung (8, 9), die über mindestens eine Lotschicht (6) mit mindestens einem der Substrate (1 , 2) kontaktiert ist, und einen Moldkörper (14), der auf der Grundplatte (12) angeordnet ist und die Substrate (1 , 2) und Hochtemperatur-Bauelemente (3) vollständig und die mindestens eine Anschlusseinrichtung (8, 9) teilweise umgibt, wobei zwischen den Substraten (1 , 2) und den Bauelementen (3) aus- gebildete Zwischenstrukturen (16) mit der Moldmasse des Moldkörpers
(14) vollständig gefüllt sind, wobei die Moldmasse des Moldkörpers (14) aufweist:
- ein Harz aus einem Epoxid-Material und einen Härter,
- ein zwischen 80 und 90 Gewichtsprozent der Moldmasse einnehmen- des Füllmaterial aus sphärischen, mineralischen Füllkörpern, die über¬ wiegend Durchmesser (di) im Bereich zwischen 20 und 50 μm aufwei¬ sen, - einen Haftvermittler für eine Haftung an den Substraten (1 , 2), den Bauelementen (3) und der Anschlusseinrichtung (8, 9), wobei die Moldmasse des Moldkörpers (14) eine Verarbeitungsviskosi¬ tät im Bereich von 5 bis 15 Pas, eine Glasübergangstemperatur (Tg) größer/gleich 190 C0 und einen thermischen Ausdehnungskoeffizient
(CTE) zwischen 5 * 10"6 1 /K und 15 * 10"6 1 /K aufweist.
2. Bauelemente-Modul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtemperatur-Bauelemente (3) elektronische Leistungsbauele- mente (3) für Hochstromanwendungen bei Temperaturen bis 200 C0 sind und das Bauelemente-Modul (20) mindestens einen Leistungsan- schluss (8) aufweist, der mit mindestens einer Metallschicht (1.3) eines der Substrate (1 , 2) über eine Lotschicht (6) kontaktiert ist.
3. Bauelemente-Modul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bauelemente (3) mikromechanische Sensoren für Hochtemperatur¬ anwendungen sind.
4. Bauelemente-Modul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sphärischen Füllkörper aus SiO2, AI2O3 oder
AIN, bestehen.
5. Bauelemente-Modul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Moldmasse des Moldkörpers (14) einen Gehalt an Alkali- und Halegonid- Ionen von weniger als 20 ppm auf¬ weist.
6. Bauelemente-Modul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenstrukturen (16) Durchmesser im Bereich von 30 bis 500 μm aufweisen.
7. Bauelemente-Modul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient der Mo¬ dulmasse des Modulkörpers (14) im Bereich von 8* 10"6 1/K bis 12 * 10" 6 1 /K liegt.
8. Bauelemente-Modul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasübergangstemperatur (Tg) der Mold¬ masse des Moldkörpers (14) bei oder oberhalb von 195 C ° liegt.
9. Bauelemente-Modul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz der Moldmasse eines der folgenden
Systeme aufweist:
MFR (Multi Functional Resin), OCN (Ortho Cresol Novolac), BP (Biphe¬ nyl), MAR (Multi Aromaten Resin), DCPD (Dicylopentadien), BMI (Bis- Maleinimid).
10. Bauelemente-Modul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Härter PN (Phenolnovolac), MAR oder MFR eingesetzt wird.
11. Bauelemente-Modul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler der Moldmasse des Moldkör¬ pers (14) folgende minimalen Haftungswerte aufweist: gegenüber Cu: 10 bis 20 N/mm2, gegenüber Ni und Au: 5 N/mm2, gegenüber Ag: 5 bis 10 N/mm2, wobei Scherfestigkeiten der Moldmasse gegenüber den Substraten (1 ,
2) und Bauelementen (3) im Bereich von 5 bis 25 N/mm2 liegen.
12. Bauelemente-Modul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sphärischen Füllkörper Durchmesser von 1 bis 75 μm aufweisen.
13. Bauelemente-Modul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate DBC-Substrate (1 ,2) oder Alumi¬ nium-Aluminiumoxid-Aluminium-Substrate sind.
14. Verfahren zum Herstellen eines Bauelemente-Moduls für Hochtempera- turanwendungen, mit mindestens folgenden Schritten: a) Ausbilden eines Stapels (4), der von unten nach oben mindestens aufweist:
- eine Grundplatte (12),
- ein erstes Substrat (1 ), das eine Keramikplatte (1.1 ) mit einer oberen Metallbeschichtung (1.3) und einer über Lotmaterial (6) auf die Grund¬ platte (12) gesetzten unteren Metallbeschichtung (1.2) aufweist,
- mindestens zwei mikrostrukturierte Bauelemente (3), die über Lotma¬ terial (6) auf die obere Metallbeschichtung (1.3) des ersten Substrates (1 ) gesetzt sind, und mindestens eine Anschlusseinrichtung (8, 9), und - ein zweites Substrat (2) aus einer Keramikplatte (2.1 ) mit einer oberen
Metallbeschichtung (2.3) und einer über Lotmaterial (6) auf die Bauele¬ mente (3) gelegten unteren Metallbeschichtung (2.2), b) Löten des Stapels (4) in einem Ofen unter Ausbildung von Kontaktie¬ rungen durch das aufschmelzende Lotmaterial (6), c) Spritzen oder Pressen eines Moldkörpers (14) in einem Transfer-
Molding-Prozess um den Stapel (4) derartig, dass der Moldkörper (14) die Substrate (1 , 2) und die zwischen Ihnen aufgenommenen Bauele¬ mente (3) vollständig und die mindestens eine Anschlusseinrichtung (8, 9) teilweise umgibt und die Oberseite der Grundplatte (12) zumindest teilweise bedeckt, wobei die Moldmasse des Moldkörpers (14) mit einer Verarbeitungsvis¬ kosität im Bereich von 5 bis 15 Pas gespritzt wird und in lateraler Rich¬ tung in Zwischenstrukturen (16) zwischen den Substraten (1 , 2) und den Bauelementen (3) eingebracht wird und diese ausfüllt, wobei die Moldmasse des Moldkörpers (14) aufweist:
- ein Harz aus einem Epoxid-Material und einen Härter,
- ein zwischen 80 und 90 Gewichtsprozent der Moldmasse einnehmen- des Füllmaterial aus sphärischen, mineralischen Füllkörpern, die über¬ wiegend Durchmesser im Bereich zwischen 20 μm und 50 μm aufwei¬ sen,
- einen Haftvermittler für eine Haftung an den Substraten (1 , 2), den Bau- elementen (3) und der Anschlusseinrichtung (8, 9),
- einen Gehalt an Alkali- und Halegonid- Ionen von weniger als 20 ppm, und wobei die Moldmasse des Moldkörpers (14), eine Glasübergangstempe¬ ratur (Tg) größer als 190 0C und einen thermischen Ausdehnungskoeffi- zient (CTE) zwischen 5 * 10"6 1 /K und 15 * 10"6 1 /K aufweist.
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