Beschreibung Titel
Elektronikmodul, Verfahren
Die Erfindung betrifft ein Elektronikmodul, insbesondere Leistungsmodul, mit zumindest einem elektrischen/elektronischen Bauteil und mit einem das Bauteil zumindest teilweise umgebenden Gehäuse, wobei das Gehäuse aus
Zementkomposit gefertigt ist, und wobei das Zementkomposit Zement und zumindest einen partikelförmigen Füllstoff aufweist.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen
Elektronikmoduls.
Stand der Technik
Elektronikmodule der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt die Offenlegungsschrift EP 2 958 139 AI ein
Halbleitermodul mit zumindest einem Halbleiterbauteil, das von einer aus Zement bestehenden Umhüllungsmasse bedeckt ist. Die Umhüllungsmasse weist dabei einen Füllstoff in Form von Aluminiumnitridpartikeln oder Aluminiumoxidpartikeln auf und bildet somit einen Zementkomposit. Das Dokument US 2004/0105980 AI beschreibt Partikel, welche einen Partikelkern und eine Vielzahl von den Partikelkern umhüllende Beschichtungen aufweisen können.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der partikelförmige Füllstoff
Aluminiumnitridpartikel aufweist, die jeweils eine Beschichtung nur aus
Aluminiumoxid aufweisen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die
Aluminiumnitridpartikel geschützt in dem Zement anordenbar/integrierbar sind, so dass die Wärmeleitfähigkeit der Aluminiumnitridpartikel (Wärmeleitfähigkeit
Aluminiumnitrid: 180 W/mK) dazu nutzbar ist, die Wärmeleitfähigkeit des
Zementkomposits zu steigern.„Geschützt" bedeutet hierbei, dass das
Aluminiumnitrid aufgrund der Beschichtung mit Aluminiumoxid nicht mit dem Zement reagiert und sich dabei auflöst oder zersetzt. Die gesteigerte
Wärmeleitfähigkeit des Zementkomposits gewährleistet eine besonders effektive Wärmeleitung. Steigt die Temperatur eines insbesondere von einem Gehäuse aus Zementkomposit umhüllten Bauteils, beispielsweise eines Transistors, während eines Betriebes, beispielsweise aufgrund von Verlustleistungen während eines Schaltvorgangs, so wird die dabei entstehende Wärme schnell und sicher von dem Bauteil in das Zementkomposit abgeleitet.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Füllstoff gleichmäßig in dem Zementkomposit verteilt ist. Der Vorteil hierbei ist, dass die Wärmeleitfähigkeit überall in dem Zementkomposit gleich ist. Dies gewährleistet eine optimale Wärmeleitung von dem Bauteil in das
Zementkomposit. Insbesondere wird damit vermieden, dass Bereiche in dem Zementkomposit keinen oder nur einen geringen Anteil an Füllstoff aufweisen, so dass das Bauteil aufgrund einer zu geringen Wärmeleitung und damit einer zu hohen Wärmeentwicklung beschädigt wird.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Füllstoff ein Granulat oder Pulver ist. Der Vorteil hierbei ist, dass der Füllstoff auf einfache Art und Weise in den Zement einbringbar und mit diesem mischbar ist. Zudem ist somit eine Menge des Füllstoffs, welche in den Zement eingebracht werden soll, auf einfache Weise bestimmbar bzw. dosierbar. Dies gewährleistet eine genaue Dosierbarkeit des Füllstoffs in dem Zement. Bevorzugt weist der Füllstoff, insbesondere die Aluminiumnitridpartikel, zumindest im Wesentlichen eine Kugelform auf. Zudem ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Füllstoff hohlraumfrei ausgebildet ist, um einen Einschluss von Gas, welches insbesondere mit dem Zement auf kritische Weise reagieren kann, zu vermeiden. Bevorzugt beträgt der Durchmesser der Aluminiumnitridpartikel selbst oder der der Aluminiumnitridpartikel, welche zusätzlich die Beschichtung aus Aluminiumoxid aufweisen, mindestens Ο,ΐμηη und höchstens 500μηη. Die Schichtdicke der Beschichtung aus Aluminiumoxid beträgt vorzugsweise mindestens lnm und höchstens lOOnm. Alternativ liegt der Füllstoff als Suspension vor.
Vorzugsweise ist der Zement bzw. eine Grundmasse des Zementkomposits aus anorganischem Material gefertigt. Der Vorteil hierbei ist, dass der Zement bzw. die Grundmasse des Zementkomposits kostengünstig und auf einfache Art und Weise herstellbar ist. Anorganisches Material ist vorzugsweise Zement, beispielsweise Tonerdezement, Phosphat-Zement oder Portland-Zement.
Vorzugsweise weist der Zement bzw. die Grundmasse des Zementkomposits zusätzlich zumindest einen anorganischen Zusatzstoff, beispielsweise Sand oder Stein, auf.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein weiterer Füllstoff, insbesondere nitridische Keramikpartikel oder Siliziumcarbid-Partikel, in das Zementkomposit eingebracht ist. Der Vorteil hierbei ist, dass thermische und/oder physikalische Eigenschaften des
Zementkomposits gezielt einstellbar bzw. konfigurierbar sind. Eine physikalische Eigenschaft ist insbesondere die thermische Leitfähigkeit bzw.
Wärmeleitfähigkeit, welche durch nitridische Keramikpartikel, beispielsweise Bornitrid oder Siliziumnitrid, konfigurierbar ist. Eine weitere Eigenschaft ist beispielsweise eine Härte des Zementkomposits, insbesondere eine
Druckfestigkeit, welche durch das Einbringen von Siliziumcarbid-Partikeln einstellbar ist. Bevorzugt weisen die weiteren Füllstoffe ebenfalls eine
Beschichtung aus Aluminiumoxid auf.
Vorzugsweise ist dem Gehäuse zumindest ein Kühlkörper zugeordnet. Der Vorteil hierbei ist, dass durch den Kühlkörper bei einem Betrieb des Bauteils eine Überhitzung des Bauteils vermieden wird, so dass ein stabiler Betrieb des Bauteils gewährleistet ist. Der Kühlkörper gibt die bei einem Betrieb des Bauteils entstehende Wärme bevorzugt durch Wärmeleitung (Konduktion) und/oder Konvektion an ein Umgebungsmedium, beispielsweise Luft oder Wasser, ab. Alternativ oder zusätzlich gibt der Kühlkörper die entstehende Wärme durch Wärmestrahlung an das Umgebungsmedium ab. Vorzugsweise weist der Kühlkörper ein Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Kupfer, auf. Damit der Kühlkörper die Wärme effektiv abgeben bzw. abführen kann, weist dieser bevorzugt Kühlrippen auf. Diese erhöhen eine
wärmeabgebende bzw. wärmeabführende Oberfläche des Kühlkörpers, was die Abgabe von Wärme an das Umgebungsmedium verbessert. Bevorzugt ist das Bauteil auf einem Substrat, beispielsweise einem Keramiksubstrat, angeordnet.
Der Kühlkörper ist bevorzugt auf einer dem Bauteil gegenüberliegenden Seite des Substrats angeordnet und insbesondere mittels eines Fügematerials, beispielsweise einem metallischen Weichlotwerkstoff oder einem polymeren TIM- Werkstoffs, mit dem Substrat verbunden.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Kühlkörper als Kühlmittelkanal ausgebildet ist und sich derart durch das Zementkomposit hindurch erstreckt, dass er in seiner Längserstreckung abschnittsweise vollständig von dem
Zementkomposit umgeben ist. Der Vorteil hierbei ist, dass der Kühlmittelkanal aufgrund seiner Erstreckung durch das Zementkomposit hindurch bzw. seiner Integration in das Zementkomposit besonders effektiv Wärme aufnimmt und das Elektronikmodul damit vorteilhaft kühlt. Bevorzugt ist der Kühlmittelkanal durch die Integration in dem Zementkomposit formschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem Zementkomposit verbunden. Vorzugsweise ist der Kühlmittelkanal ein Kupferrohr, welches von einer Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, oder einem Kühlgas, beispielsweise Luft, durchströmt wird beziehungsweise durchströmbar ist. Indem der Kühlmittelkanal nur abschnittsweise vollständig von dem Zementkomposit umgeben ist, sind die nicht von Zementkomposit umgebenen Bereiche insbesondere dem Umgebungsmedium zugeordnet. Dies gewährleistet, dass der Kühlmittelkanal durch das Umgebungsmedium kühlbar ist, wodurch sich eine Wärmeabgabe von dem Bauteil an das
Umgebungsmedium zusätzlich verbessert. Alternativ ist vorgesehen, dass der Kühlmittelkanal vollständig in dem Zementkomposit angeordnet ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Elektronikmodul mehrere Kühlkörper, beispielsweise einen mit dem Substrat verbundenen Kühlkörper und einen in das Zementkomposit integrierten Kühlmittelkanal aufweist. Bevorzugt ist der Kühlmittelkanal mäanderförmig ausgebildet. Der Kühlmittelkanal gibt alternativ oder zusätzlich die bei einem Betrieb des Bauteils entstehende Wärme bevorzugt durch
Phasenumwandlung an das Umgebungsmedium ab.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Elektronikmoduls, insbesondere Leistungsmoduls, zeichnet sich durch die Merkmale des
Anspruchs 8 aus. Es ergeben sich die bereits genannten Vorteile. Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Zur Herstellung einer gießfähigen Zementkompositmasse werden vorzugsweise die Grundmasse, die Zusatzstoffe
und/oder die Füllstoffe zunächst miteinander und anschließend mit Wasser vermischt. Alternativ oder zusätzlich werden insbesondere die Füllstoffe erst nach Herstellung einer gießfähigen Zementmasse bestehend aus der
Grundmasse und/oder dem zumindest einen Zusatzstoff, zu dieser hinzugefügt.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass gemäß den Merkmalen des Anspruchs 9 dem Gehäuse zumindest ein Kühlkörper zugeordnet wird. Es ergeben sich die bereits genannten Vorteile. Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen.
Bevorzugt wird bei einem Umgießen des Bauteils auch der Kühlkörper mit Zementkomposit umgössen. Dies gewährleistet eine formschlüssige und/oder stoffschlüssige und damit stabile Verbindung des Kühlkörper bzw. des
Kühlmittelkanals mit dem Zementkomposit.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10 zum Versehen der Aluminiumnitrid-Partikel mit einer Beschichtung nur aus Aluminiumoxid die Aluminiumnitrid-Partikel oxidiert werden. Hierdurch ergibt sich ein besonders einfacher und kostengünstiger Vorgang, um die Aluminiumnitrid- Partikel mit einer Beschichtung zu versehen. Vorzugsweise werden die
Aluminiumnitrid-Partikel bei einer Temperatur von 1200°C oxidiert.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass gemäß den Merkmalen des
Anspruchs 11 zum Versehen der Aluminiumnitrid- Partikel mit einer Beschichtung nur aus Aluminiumoxid das Aluminiumoxid mittels eines Abscheideprozesses auf die Aluminiumnitrid-Partikel aufgebracht wird. Der Vorteil hierbei ist, dass damit vorgebbare Schichtdicken von Aluminiumoxid auf die Aluminiumnitrid-Partikel aufbringbar sind. Mit Abscheideprozess ist insbesondere ein
Beschichtungsprozess gemeint. Beispielsweise ist ein Abscheideprozess eine chemische Gasphasenabscheidung oder auch ein physikalisches
Beschichtungsverfahren. Hierzu gehören beispielsweise Verdampfungsverfahren wie Elektronenstrahlverdampfverfahren.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dazu zeigen im Folgenden
Figur 1 ein Zementkomposit, welcher zumindest einen partikelförmigen Füllstoff aufweist in einer vereinfachten Darstellung,
Figur 2 ein Elektronikmodul mit einem Gehäuse, welchem zumindest ein
Kühlkörper zugeordnet ist in einer vereinfachten Darstellung und
Figur 3 ein Übersichtsdiagramm zur Durchführung des Verfahrens gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels.
Figur 1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung einen Zementkomposit 1, welcher Zement 18 und einen partikelförmigen Füllstoff 2 aufweist. Der partikelförmige Füllstoff 2 weist Aluminiumnitrid-Partikel 3 auf, die jeweils eine Beschichtung nur aus Aluminiumoxid 4 aufweisen. Die Aluminiumnitrid-Partikel 3 sind bevorzugt kugelförmig und hohlraumfrei ausgebildet. Der Durchmesser der Aluminiumnitrid- Partikel 3 oder der Aluminiumnitrid-Partikel 3, welche eine Beschichtung aus Aluminiumoxid 4 aufweisen, beträgt bevorzugt mindestens Ο,ΐμηη und höchstens 500μηη. Das Aluminiumoxid 4 weist bevorzugt eine Schichtdicke von mindestens lnm und höchstens lOOnm auf.
Die Beschichtung mit Aluminiumoxid 4 verhindert, dass sich die Aluminiumnitrid- Partikel 3 in dem Zement 18 zersetzen und auflösen. Dies gewährleistet, dass die thermischen Eigenschaften, insbesondere die hohe Wärmeleitfähigkeit von 180 W/mK von Aluminiumnitrid vorteilhaft für die Wärmeleitfähigkeit des
Zementkomposits 1 genutzt werden können.
Bevorzugt ist der Füllstoff 2 gleichmäßig in dem Zement 18 verteilt. Dies gewährleistet insbesondere eine gleichmäßige Wärmeleitung durch das
Zementkomposit 1.
Vorzugsweise ist zumindest ein weiterer Füllstoff 5, insbesondere nitridische Keramikpartikel oder SiC-Partikel, in das Zementkomposit 1 eingebracht.
Nitridische Keramikpartikel sind beispielsweise Bornitird (BN) oder Silizumnitrid (Si3N4).
Figur 2 zeigt ein Elektronikmodul 6, insbesondere ein Leistungsmodul, mit zumindest einem elektrischen/elektronischen Bauteil 7, beispielsweise einem
Transistor oder einer Induktivität, beispielsweise einem Transformator oder einer Spule, und mit einem das Bauteil 7 zumindest teilweise umgebenden Gehäuse 8. Das Gehäuse 8 ist aus dem Zementkomposit 1 gefertigt. Das Bauteil 7 ist bevorzugt mittels eines leitfähigen Materials 9, beispielsweise Kupfer, Silber oder Aluminium, einerseits mit einer elektrischen Kontaktierung 10, beispielsweise einem metallischen Draht, und andererseits mit einem Substrat 11,
beispielsweise einem Keramiksubstrat, verbunden. Das leitfähige Material 9 und das Substrat 11 werden bevorzugt mittels DCB (Direct Copper Bonding) oder AMG (Active Metal Brazing) miteinander verbunden. Dem Gehäuse 9 ist zumindest ein Kühlkörper 12, 13 zugeordnet. Der Kühlkörper 12 ist vorzugsweise ein Kupferkörper und mit dem Substrat 11 insbesondere mittels eines
Fügematerials 14 verbunden. Das Fügematerial ist beispielsweise ein
metallischen Weichlotwerkstoff oder ein polymerer TIM- Werkstoff.
Der Kühlkörper 13 ist bevorzugt als Kühlmittelkanal 15 ausgebildet und erstreckt sich derart durch das Zementkomposit 1 hindurch, dass er in seiner
Längserstreckung abschnittsweise vollständig von dem Zementkomposit 1 umgeben. Der Kühlmittelkanal 15 ist bevorzugt mäanderförmig ausgebildet. Zur Veranschaulichung der Mäanderform sei erwähnt, dass die Abschnitte 16 aus der Papierebene hinaus und die Abschnitte 17 in die Papierebene hinein gehen. Vorzugsweise ist der Kühlmittelkanal 13 ein Kupferrohr, welches von einer Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, oder einem Kühlgas, beispielsweise Luft, durchströmt wird.
Durch das besonders vorteilhaft Wärme leitende Zementkomposit 1 kann die bei einem Betrieb des Bauteils 7 entstehende Wärme effektiv in den/die Kühlkörper 12, 13 geleitet werden. Dadurch kann eine Einsatztemperatur des Bauteils 7 auf Temperaturen von über 200°C gesteigert werden. Die Verwendung des/der Kühlkörper 12, 13 gewährleistet, dass für das Bauteil 7 sowohl eine Kühlung durch den Kühlkörper 12 als auch eine Kühlung durch den Kühlkörper 13 möglich ist.
Weil sich durch den in dem Zementkomposit 1 integrierten Kühlmittelkanal 15 neue Design- und auch Partitionierungsmöglichkeiten unabhängig von dem mit dem Substrat 11 verbundenen Kühlkörper 12 ergeben, kann auf eine Kühlung
durch den Kühlkörper 12 verzichtet werden. Bevorzugt ist daher vorgesehen, dass der Kühlmittelkanal 15 als einziger Kühlkörper 13 vorgesehen ist.
Figur 3 zeigt ein Flussdiagramm zum Durchführen eines Verfahrens zum
Herstellen eines Elektronikmoduls 6, insbesondere Leistungsmoduls, gemäß einem Ausführungsbeispiel.
In einem ersten Schritt Sl wird zumindest ein elektrisches/elektronisches Bauteil 7 bereitgestellt. Dieses Bauteil 7 ist beispielsweise ein Transistor, eine Drossel, ein Transformator oder ein sonstiges Leistungsmodul.
In einem zweiten Schritt S2 wird ein Zement 18 bzw. eine Grundmasse des Zementkoposits 1 bereitgestellt. Vorzugsweise ist der Zement 18 bzw. die Grundmasse des Zementkomposits 1 aus anorganischem Material gefertigt. Das anorganische Material ist vorzugsweise ein Zement, beispielsweise
Tonerdezement, Portland-Zement oder Phosphat-Zement. Weitere anorganische Materialien, insbesondere Zusatzstoffe, welche der Zement 18 bzw. die
Grundmasse des Zementkomposits 1 aufweist, sind beispielsweise Keramik, Stein, Sand und/oder Mineralien.
In einem dritten Schritt S3 werden Aluminiumnitrid-Partikel 3 bereitgestellt. Die Aluminiumnitrid-Partikel 3 liegen dabei als Granulat oder Pulver vor und haben bevorzugt einen Durchmesser von mindestens Ο,ΐμηη bis 500μηη. Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass der Füllstoff 2 als Suspension vorliegt.
In einem vierten Schritt S4 werden die Aluminiumnitrid-Partikel 3 jeweils mit einer Beschichtung nur aus Aluminiumoxid 4 versehen. Das Versehen mit
Aluminiumoxid 4 erfolgt vorzugsweise durch eine thermische Oxidation der Aluminiumnitrid-Partikel 3 an Luft bei einer Temperatur von vorzugsweise 1200°C. Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass mittels eines
Abscheideprozesses bzw. Beschichtungsverfahrens die Aluminiumnitrid-Partikel 3 mit Aluminiumoxid 4 beschichtet werden. Dadurch ist es möglich, zum einen das Aluminiumoxid 4 mit einer vorgebbaren Schichtdicke, vorzugsweise lnm bis lOOnm, auf den Aluminiumnitrid-Partikeln 3 aufzubringen. Zum andere ist es dadurch möglich, eine zweite Beschichtung, welche ein anderes Material, beispielsweise Siliziumoxid, aufweist, auf den Aluminiumnitrid-Partikeln 3
aufzubringen. Geeignete Abscheideprozesse sind insbesondere chemische und/oder physikalische Abscheideprozesse, beispielsweise eine chemische oder physikalische Gasphasenabscheidung.
In einem fünften Schritt S5 werden die mit einer Beschichtung nur aus
Aluminiumoxid 4 versehenen Aluminiumnitrid-Partikel 3 in das Zementkomposit 1 eingebracht. Die Aluminiumnitrid-Partikel 3 bzw. der Füllstoff 2 werden bevorzugt mit dem noch trockenen Zement 18, insbesondere der Grundmasse, vermischt. Alternativ oder zusätzlich wird der Füllstoff 2 mit einer gießfähigen
Zementmasse, bestehend aus der Grundmasse und/oder zumindest einem Zusatzstoff, vermischt. Zur Herstellung der gießfähigen Zementkompositmasse werden vorzugsweise die Grundmasse, die Zusatzstoffe und/oder die Füllstoffe 2 zunächst miteinander und anschließend mit Wasser vermischt. Bevorzugt ist eine monomodale Beimischung der Aluminiumnitrid-Partikel 3 in den Zement 18 oder eine multimodale Beimischung der Aluminiumnitrid-Partikel 3 vorgesehen.
Bevorzugt erfolgt eine bi-oder trimodale Beimischung. Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass zumindest ein Kühlkörper 12, 13 dem Gehäuse 8 zugeordnet wird. Dadurch wird der Kühlkörper 12,13 zusammen mit dem Bauteil 7 in dem Zementkomposit 1 vergossen. Dies gewährleistet, dass der Kühlkörper 12,13 stoffschlüssig mit dem Zementkomposit 1 verbunden ist. Dies
gewährleistet eine stabile Anordnung des Kühlkörpers 12, 13 in dem
Zementkomposit 1 und damit eine besonders vorteilhafte Wärmeleitung von dem Bauteil 7 durch das Zementkomposit 1 zu dem Kühlkörper 12,13.
In einem sechsten Schritt S6 wird das Bauteil 7 und bevorzugt weitere
Komponenten des Elektronikmoduls 5, insbesondere eine elektrische
Kontaktierung 10 und/oder ein Substrat 11, zumindest teilweise mit dem
Zementkomposit 1 umgössen, um damit ein das Bauteil 7 zumindest teilweise umgebendes Gehäuse 8 herzustellen. Nach dem Umgießen des Bauteils 8 wird die gießfähige, insbesondere flüssige, Zementkompositmasse abgebunden und getrocknet. Zum Umgießen des Bauteils 7 wird vorzugsweise das Bauteil 7 von einer hier nicht dargestellten Gussform umschlossen, welche mit der gießfähigen Zementkompositmasse gefüllt wird. Nach Abbinden und Trocknung der gießfähigen Zementkompositmasse wird dann die Gussform von der
getrockneten Zementkompositmasse bzw. dem Zementkomposit 1 entfernt.