WO2007045112A1 - Leistungsgehäuse für halbleiterchips und deren anordnung zur wärmeabfuhr - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein oberf lächenmontierbares Leistungsgehäuse (1) für Halbleiterchips (10) und deren Anordnung zur Wärmeabfuhr an Kühlmedien (15) bei Hochleistungsbauelementen durch Reduzierung der konstruktiv bedingten in Reihe liegenden thermischen Widerstände. Das Leistungsgehäuse ist so ausgebildet, dass die Unterseite durch eine Öffnung (21) der Verdrahtungsebene (25) hindurch direkt mit dem Kühlkörper (15) verbunden werden kann, und die notwendige Verdrahtungsebene nicht eingebunden wird. Ausgeführt wird das Gehäuse aus einem Chipträgersubstrat (12) und einem Gehäuseträgersubstrates (13), welche über elektrische Verbindungen zur Kontaktierung der Halbleiterchips (10) mit der Verdrahtungsebene (25) verfügen. Das Leistungsgehäuse besteht vorzugsweise aus keramischen Werkstoffen oder Silizium.

Description

Leistungsgehäuse für Halbleiterchips und deren Anordnung zur
Wärmeabfuhr
Beschreibung
[0001] Die Erfindung betrifft ein automatisch bestückbares oberflächenmontierbares Leistungsgehäuse für Halbleiterchips und deren Anordnung zur Wärmeabfuhr in Verbindung mit einem Verdrahtungsträger und einem Kühlmedium mit optimiert hoher Wärmeabfuhr bei Verwendung von einem oder mehreren Halbleiterchips, zum Beispiel Strahlungsemittierende Bauelemente mit gleicher und auch gemischter, beliebiger Wellenlänge in einem Gehäuse und beliebiger interner Verschaltung, welche eine hohe Strombelastung und die Abführung der damit verbundenen Wärmeerzeugung notwendig machen.
[0002] Alle bisher bekannten Gehäuse zur Oberflächenmontage, zum Beispiel das in DE10117889 beschriebene, benutzen das Aufsetzprinzip des Bauteiles auf einen Verdrahtungsträger. Die Konstruktion zeichnet sich dadurch aus, dass die Kontaktflächen zum elektrischen Anschluss des Bauteiles sich entweder auf der Rückseite des Gehäuses oder als separater von diesem herausgeführter metallischer Anschluss so gebogen ist, dass die Lötverbindung auf der Ebene der Bauteilunterseite ist.
Durch Konstruktionen dieser Gehäuse und deren elektrische Verbindung zum Verdrahtungsträger, insbesondere kostenintensiver Metallkernleiterplatten oder anderer üblicher Verdrahtungsmedien, werden Anordnungen geschaffen, die mehrere thermische Widerstände besitzen. Trotz konstruktiver Ansätze hat die Praxis bisher gezeigt, daß es keine automatisch bestückbaren und lötbaren Leistungsgehäuse für Halbleiterchips für hohe Leistungen mit hoher direkter Wärmeabführungskapazität bis zum Kühlmedium gibt. Die physikalisch bedingte Addition der einzelnen, in Reihe liegenden thermischen Widerstände begrenzt die umsetzbare Verlustleistung der Anordnungen von zu Degradation neigenden Bauelementen und führt zu deren erheblicher Lebensdauereinschränkung.
[0003] Erheblicher Nachteil der bisher bekannten Anordnungen ist, daß das notwendige Kühlmedium, z.B. ein Kühlkörper oder eine Metallkernleiterplatte beim Lötprozess mit erwärmt werden muß, so daß die Verweildauer der Halbleiterchips über das erforderliche Maß an Zeit einer thermischen Belastung unterliegt, welches ebenfalls zur Vorschädigung oder zum Ausfall führen kann.
[0004] Weiterer bekannter Nachteil ist, daß Spannungspotentiale zum Beispiel der Anode oder Kathode des Halbleiterchips metallisch nach außen geführt und zwangsläufig auf das Kühlmedium übertragen werden. Dies führt zu erheblichen konstruktiven Einschränkungen, die nur durch Einfügen von potentialtrennenden Medien zwischen Halbleiterbauelemente und Kühlmedium beseitigt werden können, diese aber gleichzeitig eine Erhöhung der Anzahl der unerwünschten thermischen Widerstände bewirken.
[[0005] Desweiteren bekannter Nachteil ist, daß alle bisher bekannten Gehäuse, die eine höhere Verlustleistung ableiten können, nicht für den Einsatz in Verbindung mit flexiblen Leiterplatten genutzt werden können.
Ein weiterer bekannter Nachteil ist, daß keine mehrlagigen Verdrahtungsebenen angewandt werden können, was zu einer Verringerung der Kompaktheit der Geräte und den damit verbundenen Nachteilen einer Applikation führt.
[0006] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Ausführung für Leistungsgehäuse für Halbleiterchips so zu gestalten, daß einerseits die Anzahl der thermischen Widerstände reduziert wird und andererseits die elektrische Anschlußfähigkeit des Bauteiles eine von jeglichen Kühlmedien unabhängige Nutzung der vorhandenen Löttechnologie für die elektrische Verbindung sowie falls erforderlich auch für die mechanische und thermische Verbindung mit dem Kühlmedium ermöglicht und einen uneingeschränkten Einsatz in Verbindung mit flexiblen Verdrahtungsträgern, zum Beispiel bei flexiblen Leiterplatten, bei voller Potentialfreiheit möglich ist.
[0007] Der Erfinder erkannte, daß der Gesamtthermowiderstand und damit die erforderliche Wärmeabfuhrkapazität nur zu beeinflussen ist und erheblich verkleinert werden kann, wenn die Gehäusekonstruktion des Leistungsgehäuse für Halbleiterchips die Anzahl der sich addierenden einzelnen thermischen Widerstände reduziert und in einer Anordnung von Kühlmedium und Verdrahtungsträger eine Einheit bildet. Trotzdem soll eine automatisierte Bestückung sowie Nutzung vorhandene Löttechnologien erreichbar sein, um die technologischen und ökonomischen Vorteile der Oberflächenmontage bei Verwendung von flexiblen und starren Verdrahtungsträgern effizient zu nutzen.
[0008] Die Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, daß zur Montage dem vom Stand der Technik prägenden Aufsetzen des Bauteilgehäuses auf das Verdrahtungsmedium, zum Beispiel einer Leiterplatte abgegangen wird, welches über Wärmewiderstände mit dem Kühlmedium konstruktiv verbunden ist. Erfindungsgemäß wird erreicht, daß das Verdrahtungsmedium aus der Kette der thermischen Übergänge komplett herausgenommen wird und die thermische Kopplung dadurch direkt mit dem Kühlmedium erfolgen kann, die elektrische Verbindung über das Verdrahtungsmedium, welches eben nicht die gemäß dem Stand der Technik angewandte feste Verbindung mit dem Kühlmedium besitzt zum Beispiel Metallkernleiterplatte, aber weiterhin so erfolgt, daß die Bestückung mit dem Leistungsgehäuse für Halbleiterchips nach den bekannten Regeln der Löttechnik erfolgen kann und die Anordnung zur Wärmeabfuhr durch Aufbringen der im Verdrahtungsmedium eingebauten Leistungsgehäuse für Halbleiterchips auf das Kühlmedium entsteht. Um dies zu erreichen, muß das Leistungsgehäuse für Halbleiterchips so aufgebaut sein, daß einerseits der direkte Kontakt zum Kühlmedium erfolgen und gleichzeitig die elektrische Verbindung konstruktiv autark und unabhängig davon ausgeführt werden kann. [0009] Anhand von Figuren wird die Erfindung symbolisch und beispielhaft näher erläutert.
Es zeigen dabei
Fig.1 - X-Darstellung des Leistungsgehäuse für Halbleiterchips
Fig.2 - Y-Darstellung des Leistungsgehäuse für Halbleiterchips
Fig.3 - Inverse -Darstellung des Leistungsgehäuse für Halbleiterchips
Fig.4 - Darstellung einer Beispielausführung der isolierten Chipmetallisierung des Leistungsgehäuse für Halbleiterchips bei selbstjustierender Lagepositionierung oder unterschiedlicher Polarität
[0010] Die Erfindung wird anhand von Fig.1 näher erläutert .
Die direkte thermische Kopplung erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß der Verdrahtungsträger (14) eine dem Chipträgersubstrat (12) angepaßte Öffnung (21) enthält, wobei nur das Chipträgersubstrat (12) durchgesteckt wird, welches mit dem Gehäuseträgersubstrat (13) elektrisch leitend an den sich gegenüberliegenden Seiten verbunden ist und gleichzeitig die mechanische Verbindung realisiert. Gehäuseträgersubstrat (13) und Chipträgersubstrat (12) bilden die konstruktive Einheit des Gehäuses, welches Teil der erfindungsgemäßen Gesamtanordnung zur Wärmeabfuhr mit den weiteren Bestandteilen Kühlmedium (15) und Verdrahtungsträger (14) ist.
[0011] Das Chipträgersubstrat (12) gestattet somit die direkte Verbindungsmontage mit dem Kühlmedium (15) auch über ein Wärmeleitverbindungsmaterial (16) ohne thermisch zwischenliegenden Verdrahtungsträger (14) zum elektrischen Anschluß des Bauelementes. [0012] Das Chipträgersubstrat (12) besteht aus mit Leiterbahnen strukturierten Keramikmaterial oder Silizium oder eine konstruktive Kombination aus beiden. Typischerweise, aber nicht zwingend vorgeschrieben, ist mittig eine nach aussen elektrisch isolierte metallisierten Fläche, die Chipträgermetallisierung (23) zur Montage der Halbleiterchips (10) vorhanden. Diese Chipträgermetallisierung (23) ist von der Beschaffenheit so ausgelegt, dass die Chips mittels üblicher Leitkleber oder Schmelzlote montiert werden können.
[0013] Zur weiteren Senkung des verbleibenden Wärmeübergangswiderstandes ist die Rückseitenoberfläche des Chipträgersubstrates (12) metallisiert ausführbar und gestattet somit ein Auflöten mittels bleifreier Lote auf das Kühlmedium (15). Bei Anwendung von Silizium ist die Oberseite des Chipträgersubstrates (12) mit aufgebrachtem Siliziumdioxid als Isolierung und darauf aufgebrachter Metallisierung.
[0014] Das Gehäuseträgersubstrat (13) besteht aus keramischen oder Laminatwerkstoffen mit angepasstem Temperaturausdehnungskoeffizienten zum Chipträgersubstrat (12).
[0015] Das Wärmeleitverbindungsmaterial (16) besteht aus jeglichen zur Wärmeableitung geeigneten Materialien, zum Beispiel aus metallischen Loten bei Montage durch Löten oder aus wärmeleitenden Klebern und Pasten.
[0016] Konstruktive Toleranzen und montagebedingte Unebenheiten können mittels Aufpressen von selbsthaftenden oder einseitig oder zweiseitig selbstklebenden halogenfreien und bleifreien Wärmeleitverbindungsmaterialien (16) mittels dafür üblicher Werkzeuge ausgeglichen werden.
[0017] Die elektrische Anschlußverbindung zwischen Halbleiterchip (10) sowie deren Bonddrähte (11) bis zur Verdrahtungsebene (25) auf dem Verdrahtungsträger (14) wird dadurch erreicht, daß das Chipträgersubstrat (12) metallisch über die Verdrahtungsebene des Gehäuseträgers (20) , welche mit dem gegenüberliegenden Gehäuseträgersubstrat (13) über die Verdrahtungsebene zur elektrischen Verbindung des Chipträgersubstrates (22) verbunden ist, welches geometrisch größer als das Chipträgersubstrat (12) ist, um zu erreichen, daß eine elektrische Verbindung zum Verdrahtungsträger (14) zum Anschluß des Halbleiterchips (10) an eine externe Beschaltung erfolgt.
[0018] Dabei ist es unerheblich, welche Stärke der Verdrahtungsträger (14) zum Anschluß des Halbleiterchips besitzt, da dieser dadurch keinen Einfluß auf das Wärmeableitverhalten hat. Die Stärke des Chipträgersubstrates ist der Stärke des Verdrahtungsträgers so angepaßt , daß dieser mindestens Niveaugleich abschließt. Weiterhin ist der Nachteil beim Lötprozeß beseitigt, da die Bauteilgehäuse mit dem Verdrahtungsträger (14) zum Anschluß des Bauteiles unter vorhandenen technologisch bewährten Lötprozessen einschließlich der standardisierten Lötzeiten (Lötprofile) verbunden werden können.
[0019] Das Verfahren der Montage erfolgt durch einfaches Aufbringen der komplett bestückten Verdrahtungsträger (14) nach dem Lötprozess der erfindungsgemäß realisierten aufzumontierenden elektronischen Bauelemente auf dem Kühlkörper, gegebenenfalls unter Verwendung eines Fixiermaterials (24), welches auch wärmeleitfähig sein kann. Bei dieser Montage ist es nur notwendig, daß das Chipträgersubstrat (12) direkt mit dem Kühlmedium (15) verbunden ist. Gegebenfalls kann die thermische Verbindung mittels eines Wärmeleitverbindungsmaterial (16) unterhalb des Chipträgersubstrates (12) verbessert werden. Eine thermische Verbindung auf der Oberfläche des Verdrahtungsträgers (14) kann zusätzlich erreicht werden, indem eine thermische Verbindung zwischen der Verdrahtungsebene des Verdrahtungsträgers (25) und der metallischen Verbindungsebene (27), die elektrisch isoliert auf der Ebene der Verdrahtungsebene des Gehäuseträgersubstrat (20) sich befindet, beim Lötprozess metallisch mit verbunden wird.
[0020] Die Isolierung der einzelnen Verdrahtungen auf dem Chipträgersubstrat (12) und dem Gehäuseträgersubstrat (13) erfolgt horizontal über eine isolierende Passivierung (26) , zum Beispiel aus Glas, gemäß Fig. 2, die gleichzeitig ein Abdichten der Gesamtanordnung realisiert. [0021] Die mechanische Verbindungsfestigkeit des Gehäuseanordnung der beiden Teile Chipträgersubstrat (12) und Gehäuseträgersubstrat (13) wird durch ein kombiniertes oder gleichzeitiges Sintern der Glaspassivierung (26) und der metallischen Verdrahtungen aus Leitpasten auf dem Chipträgersubstrat (12) und dem Gehäuseträgersubstrat (13) erreicht werden.
[0022] Alternativ kann das Chipträgersubstrat (12) und das Gehäuseträgersubstrat (13) unabhängig vom verwendeten Werkstoffen durch ein Klebeprozess oder Lötprozess mittels elektrisch leitendem Material die Verdrahtungsebene des Chipträgers und der Verdrahtungsebene des Gehäuseträgers verbunden werden.
[0023] Der Schutz der Halbleiterchips (10) sowie der Bonddrähte (11) erfolgt durch beliebige Vergußmaterialien, basierend auf Epoxy oder Silikonen mit angepasstem thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Auch ist ein Verschluß durch Aufkleben oder Auflöten eines Deckels möglich.
[0024] Im Falle von Strahlungsemittierenden und oder empfangenen Halbleiterchips (10) wird ein optischer Verguß (17) mit niveaugleicher oder gewölbter Form gemäß den geforderten optischen Eigenschaften in die Abstrahlöffnung (18) ausgeführt. Die Form der Abstrahlöffnung (18), welche gleichzeitig den Durchgang der Strahlung ermöglicht, ist beliebig ausführbar und unterliegt ausschließlich den technischen Erfordernissen an die optische Charakteristik der Applikation. Eine direkte Montage von Baugruppen mit optischen Eigenschaften erfolgt über die Verbindung mit dem Gehäuseträgersubstrat (13).
[0025] Bei Verwendung von flexibel ausgestalteten Verdrahtungsträgern (14) ist eine Anpassung an runde oder beliebig gebogene Formen des Kühlmedium (15) problemlos möglich. Auch können unabhängig von der Größe und der Anschlußposition des Gehäuseträgersubstrates (13) mehrere Verdrahtungsebenen im Verdrahtungsträger (14) übereinander angewandt werden, z.B. in starren oder flexiblen Mehrlagen-Leiterplatten, ohne eine Verschlechterung oder anderweitige Beeinflussung des Wärmeableitwiderstandes. [0026] Sollte die konstruktiv bedingte Notwendigkeit bestehen, eine inverse Bestückung auf dem Verdrahtungsträger vorsehen zu müssen, so können die Abmessu ngen des Ch ipträgersu bstrates ( 1 2) g rö ßer als d ie des Gehäuseträgersubstrates (13) gemäß Fig. 3 sein. Dabei wird die Funktion der Verdrahtungsebene des Gehäuseträgersubstrates (20) reduziert auf die mechanische Verbindung zwischen Chipträgersubstrat (12) und Gehäuseträgersubstrat (13) , wobei die elektrische Verbindung nunmehr direkt zwischen der Verdrahtungsebene des Chipträgersubstrates (22) und der Verdrahtungsebene (25) des Verdrahtungsträgers (14) erfolgen kann.
[0027] Auf dem Chipträgersubstrat (12) befindet sich eine metallisierte Fläche zur Montage der Halbchips (10) mittels üblicher Bondverfahren mittels Anwendung von adhesiven Leitmaterialien. Soll eine eutektische Chipbondung durchgeführt werden, ist zur Reduzierung bzw. Vermeidung von Schwimmeffekten die Metallisierung der Chipträgermetallisierung (23) in Abhängigkeit der Chipgrösse in Teilflächen der Chipträgermetallisierung (28) strukturiert. Diese Strukturierung wird so vorgenommen, daß die Halbleiterchips (10) unter Nutzung der Oberflächenspannung des flüssigen Lotes selbstjustierend gelötet werden.
[0028] Fig. 4 zeigt den detaillierten Aufbau einer isolierten Chipträgermetallisierung (23) des Chipträgersubstrates (12) zur Aufnahme der Halbleiterchips (10) in Teilflächen der Chipträgermetallisierung (28). Die Abmessungen der einzelnen Halbleiterchips (10) zuzüglich einer Umrandung ergibt die Größe einer Teilfläche der Chipträgermetallisierung (28), die in Anordnung und Anzahl beliebig ausgeführt werden kann. Verbunden sind die Teilflächen der Chipträgermetallisierung (28) mit elektrisch leitenden Verbindungsstegen und kleinen Bondflächen (29), die bei zweiseitig zu kontaktierenden Halbleiterchips (10) notwendig sind, bei einseitig zu kontaktierenden Bauteilen kann diese Teilfläche und der Steg entfallen, wenn die Kontaktierung von der oberen Seite erfolgt.
[0029] Bei Strahlungsemittierenden Bauelementen mit einer Chipkonstruktion analog dem Flip-Chip-Prinzip erfolgt die Kontaktierung von der Unterseite. Hier ist die Chipträgermetallisierung (23) in der erforderlichen Anzahl von Teilflächen der Chipträgermetallisierung (28) unterteilt und der Polarität des Strahlungsemittierenden Bauelementes zugeordnet. Die elektrische Verbindung erfolgt analog über elektrisch leitende Verbindungsstege oder bei entsprechender geometrischer Auslegung direkt kleine Bondflächen (29). Gleiches gilt für eine isolierte Montage von Halbleiterchips (10) unterschiedlicher Polarität.
Bezugszeichenliste
1 Leistungsgehäuse für Halbleiterchips
10 Halbleiterchip
11 Bonddraht
12 Chipträgersubstrat
13 Gehäuseträgersubstrat
14 Verdrahtungsträger (zum Anschluß des Bauteiles)
15 Kühlmedium
16 Wärmeleitverbindungsmaterial
17 optisches Vergußmaterial
18 Abstrahlöffnung
20 - Verdrahtungsebene des Gehäuseträgersubstrates
21 - Öffnung im Verdrahtungsträger
22 - Verdrahtungsebene des Chipträgersubstrates
23 - Chipträgermetallisierung
24 - Fixiermaterial
25 - Verdrahtungsebene des Verdrahtungsträgers
26 - Isolierende Passivierung
27 - Metallische Verbindungsebene
28 - Teilfläche der Chipträgermetallisierung
29 - Bondfläche

Claims

Patentansprüche
1. Leistungsgehäuse für Halbleiterchips (1) und deren Anordnung zur Wärmeableitung dadurch gekennzeichnet, dass dieses mindestens aus zwei elektrisch leitend verbundenen hoch wärmeleitfähigen Substraten, dem Chipträgersubstrat (12) und dem Gehäuseträgersubstrat (13) besteht, wobei das Chipträgersubstrat (12), auf das die Halbleiterchips (10) montiert sind, die direkte thermische Verbindung zum Kühlmedium (15) durch eine Öffnung des Verdrahtungsträgers (21) und das Gehäuseträgersubstrat (13), die elektrische Verbindung zum Verdrahtungsträger (14) realisiert.
2. Leistungsgehäuse für Halbleiterchips (1) und deren Anordnung zur Wärmeableitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Chipträgermetallisierung (23) zur Montage der Halbleiterchips (10) elektrisch nach außen isoliert ist und die elektrische Verbindung zum Gehäuseträgersubstrat (13) vom Halbleiterchip (10) mittels Bonddrähte (11) auf die Verdrahtungsebene des Chipträgersubstrates (22) über gesinterte oder gelötete oder geklebte sich gegenüberliegende elektrisch leitende Kontaktflächen zur Verdrahtungsebene des Gehäuseträgersubstrates (20) realisiert.
3. Leistungsgehäuse für Halbleiterchips (1) und deren Anordnung zur Wärmeableitung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das
Chipträgersubstrat (12) und das Gehäuseträgersubstrat (13) aus keramischen Werkstoffen besteht.
4. Leistungsgehäuse für Halbleiterchips (1) und deren Anordnung zur Wärmeableitung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das
Chipträgersubstrat (12) aus Silizium mit rückseitig lötbarer Metallisierung und oberseitig mit aufgebrachtem Siliziumdioxid als Isolierung und darauf aufgebrachter Metallisierung versehen besteht und das Gehäuseträgersubstrat (13) aus keramischen Werkstoffen besteht.
5. Leistungsgehäuse für Halbleiterchips (1) und deren Anordnung zur Wärmeableitung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das
Chipträgersubstrat (12) entweder aus Silizium oder keramischen Werkstoffen besteht und das Gehäuseträgersubstrat (13) aus mit Leiterbahnen versehenen Laminatwerkstoffen besteht.
6. Leistungsgehäuse für Halbleiterchips (1) und deren Anordnung zur Wärmeableitung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Chipträgermetallisierung (23) zur Montage mehrerer Halbleiterchips (10) in eine der Abmessungen der einzelnen Halbleiterchips (10) angepassten Teilflächen der Chipträgermetallisierung (28) unterteilt sein kann.
7. Leistungsgehäuse für Halbleiterchips (1) und deren Anordnung zur Wärmeableitung nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Chipträgersubstrat (12) mit dem Kühlmedium (15) zusätzlich über ein Wärmeleitverbindungsmaterial (16) verbunden sein kann, wobei die Verbindung durch bleifreie Lötung entstanden ist.
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