WO2021013401A1 - Verfahren und entwärmungskörper-anordnung zur entwärmung von halbleiterchips mit integrierten elektronischen schaltungen für leistungselektronische anwendungen - Google Patents

Verfahren und entwärmungskörper-anordnung zur entwärmung von halbleiterchips mit integrierten elektronischen schaltungen für leistungselektronische anwendungen Download PDF

Info

Publication number
WO2021013401A1
WO2021013401A1 PCT/EP2020/063654 EP2020063654W WO2021013401A1 WO 2021013401 A1 WO2021013401 A1 WO 2021013401A1 EP 2020063654 W EP2020063654 W EP 2020063654W WO 2021013401 A1 WO2021013401 A1 WO 2021013401A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat dissipation
ewk
connection
chip
circuit carrier
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/063654
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Stegmeier
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2021013401A1 publication Critical patent/WO2021013401A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367—Cooling facilitated by shape of device
    • H01L23/3677—Wire-like or pin-like cooling fins or heat sinks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367—Cooling facilitated by shape of device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3736—Metallic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling

Definitions

  • the invention relates to a method for cooling semiconductor chips with integrated electronic circuits for power electronic applications according to the preamble of claim 1 and a cooling body arrangement for cooling semiconductor chips with integrated electronic circuits for power electronic applications according to the preamble of claim 9.
  • the semiconductor chips are either one-sided or double-sided with a carrier, e.g. as a "Printed Circuit Board ⁇ PCB>”, “Direct Bonded Copper ⁇ DBC> ",” Active Metal Braze ⁇ AMB> ", Cu leadframe etc., connected.
  • connection point usually consists of solder, such as Sn-based solders, sintered compounds such as Ag-based sintered compounds, or diffusion solders such as CuSn-based diffusion solders.
  • solder such as Sn-based solders, sintered compounds such as Ag-based sintered compounds, or diffusion solders such as CuSn-based diffusion solders.
  • Their thermal conductivity is largely responsible for the cooling of the semiconductor chips.
  • Standard solders such as SAC-based solders made of Sn, Ag and Cu, only have about 5-10% of the thermal conductivity of an Ag-based sintered connection. For this reason, such Ag-based sintered compounds are used for efficient cooling of small chips or high-performance chips.
  • this type of connection is associated with a high level of effort and expense. Therefore would It is desirable to achieve efficient heat dissipation with standard solders or with electrical conductive adhesives, which are based on polymers, for example.
  • the object of the invention is to provide a method and a heat dissipation body arrangement for heat dissipation from semiconductor chips with integrated electronic circuits for power electronic applications, with which an economical and efficient "semiconductor chip” heat dissipation can be achieved.
  • This object is based on the defined in the preamble of Pa tent wraps 1 the heat dissipation process by the characteristics specified in the characterizing part of claim 1 achieved.
  • connection form connections formed from the heat dissipation bodies and cavities in an electrically conductive and material or non-positive manner.
  • the heat dissipation body by thermal spraying on the chip bottom and the chip top, such as metal, molten bath, arc, plasma, cold gas, wire flame -, powder flame, high-speed flame, detonation or laser spraying, by galvanic methods, by laser welding, diffusion soldering, gluing or by silver-sintered connections.
  • thermal spraying on the chip bottom and the chip top such as metal, molten bath, arc, plasma, cold gas, wire flame -, powder flame, high-speed flame, detonation or laser spraying, by galvanic methods, by laser welding, diffusion soldering, gluing or by silver-sintered connections.
  • the material properties of the heat dissipation body it is advantageous according to claims 3 and 11 if they are made of metal - such as copper ⁇ Cu>, silver ⁇ Ag>, gold ⁇ Au>, iron ⁇ Fe>, tin ⁇ Sn> , Nickel ⁇ Ni>, aluminum ⁇ A1>, molybdenum ⁇ Mo> or tungsten ⁇ Wo> -, alloys with at least one of these metals, semi-metal, metal-ceramics, highly doped semiconductors - such as silicon ⁇ Si>, silicon carbide ⁇ SiC >, Galium nitride ⁇ GaN> etc. - or graphite-based materials are made.
  • the heat dissipation bodies can also be made up of different material combinations, such as copper at one end and graphite at the other end.
  • the heat dissipation bodies are cylindrical, prismatic, pyramidal, conical, cuboid, cube-triangular column-shaped.
  • Each column-shaped heat dissipation body is preferably designed in such a way that the heat dissipation bodies in the side view because they can be provided with or without tapers, undercuts or connections to one another.
  • the circuit carrier has a thick copper substrate - such as a printed circuit board ⁇ PCB>, direct bonding copper ⁇ DCB>, active metal brazing ⁇ AMB>, leadframes laminated thick copper substrate or a thick copper polymer substrate produced by molding (English. Molding or pressure lamination).
  • a thick copper substrate - such as a printed circuit board ⁇ PCB>, direct bonding copper ⁇ DCB>, active metal brazing ⁇ AMB>, leadframes laminated thick copper substrate or a thick copper polymer substrate produced by molding (English. Molding or pressure lamination).
  • the metal layer has a thickness essentially in the order of 0.3 to 5.0 mm.
  • the electrically conductive and material or force-locking connection can be produced by soldering with standard solder or gluing with electrically conductive adhesives.
  • FIG. 1A is a top view of a grouping of heat dissipation bodies on a semiconductor chip with integrated electronic circuits for power electronic applications to give the all-clear for it,
  • FIG. 1B shows the semiconductor chip cooling body assembly according to FIG. 1A in a side view
  • FIG. 2A shows a heat dissipation body arrangement with two scarf device carriers for double-sided heat dissipation of a semiconductor chip in the disconnected circuit carrier semiconductor chip state
  • FIG. 2B shows the heat dissipation body arrangement according to FIG. 2A with the two circuit carriers for double-sided heat dissipation of the semiconductor chip in the circuit carrier-semiconductor chip state preparing for connection by soldering or gluing,
  • FIGURE 2C shows the cooling body arrangement according to FIGURES 2A and 2B with the two circuit carriers for double-sided Ent warming of the semiconductor chip in the circuit carrier semiconductor chip state connected by soldering or gluing,
  • FIGURE 3 shows a heat dissipation body arrangement with two circuit carriers for double-sided heat dissipation from two semiconductor chips with parallel preparatory chip control in the circuit carrier-semiconductor chip assembly.
  • FIG. 1A shows a plan view of a grouping of heat dissipation bodies EWK on a semiconductor chip HLC with integrated electronic circuits for power electronic applications for heat dissipation.
  • Efficient heat dissipation of the semiconductor chip HLC can be achieved in that, as shown in FIG. 1A, the heat dissipation bodies EWK are applied to the semiconductor chip HLC on one side or even on both sides to further improve the heating.
  • the heat dissipation body As shown, EWK are arranged in the form of cylindrical columns in the manner of steles on the semiconductor chip HLC.
  • cylindrical column shape As an alternative to the cylindrical column shape, other shapes are also conceivable. For example, prismatic, pyramidal, conical, cuboid, cube-triangle, columnar steles, which can be arranged in the same way on the semiconductor chip HLC analogously to the representation in FIG. 1A.
  • this then means, as will become clear later in the description of FIGURES 2A to 2C, that circuit carrier cavities must be designed accordingly for form-fitting connections.
  • the cylindrical column-shaped heat dissipation bodies EWK applied as steles to the semiconductor chip HLC form a pillar structure in which the stele-like heat dissipation bodies EWK are fixed on the semiconductor chip HLC by a wide variety of application methods.
  • Thermal metal spray methods galvanic methods, laser welding, diffusion soldering, gluing and silver-sintered connections are particularly suitable for this purpose.
  • the thermal spray method is to be seen as a superordinate term.
  • Subcategories are e.g. atomization from a melt
  • the pillar structure applied and used in this way significantly increases the surface area of the HLC semiconductor chip.
  • a chip size of 10 mm x 10 mm, a pillar diameter of 0.5 mm, a pillar length of 2 mm and a pillar number of 290 the surface can be increased tenfold. This leads to the fact that by means of the soldering layers used, overall thermal conductivities comparable to those of silver sintered layers can be achieved.
  • the Pillar structures consist of a material with good thermal conductivity, such as copper ⁇ Cu>.
  • the pillar structure or the heat dissipation body EWK should be connected to the semiconductor chip with the highest possible thermal conductivity and also have a high thermal conductivity themselves.
  • metals such as silver ⁇ Ag>, gold ⁇ Au>, iron ⁇ Fe>, tin ⁇ Sn>, nickel ⁇ Ni>, aluminum ⁇ A1>, molybdenum ⁇ Mo> or are used as materials Tungsten ⁇ Wo> -, alloys with at least one of these metals, semi-metals, metal-ceramics, highly doped semiconductors - such as silicon ⁇ Si>, silicon carbide ⁇ SiC>, galium nitride ⁇ GaN> etc. - or graphite-based materials in question.
  • the pillar structure or the EWK cooling bodies can also be made up of different material combinations, such as copper at one end of the pill or body and graphite at the other end.
  • FIG. 1B shows a side view of the semiconductor chip cooling body assembly according to FIG. 1A. 13.
  • the EWK cooling bodies preferably each have a stele size essentially in the order of magnitude of 0.3 to 1.0 mm.
  • the stele size to increase the surface of the semiconductor chip HLC could also be 2mm, which for the given chip surface and the number of heat dissipation bodies on this surface is ten times the original chip surface without the heat dissipation bodies EWK would mean.
  • the side view also shows that the EWK stele-like cooling bodies do not have any tapers, undercuts or connections to one another. Alternatively, however, it is also possible that this is the case. This means here again, as will become clear later in the description of FIGURES 2A to 2C, that circuit carrier Cavities for connection interlocks must be designed accordingly.
  • FIG. 2A a heat dissipation body arrangement EWKA with two
  • Circuit carriers ST for double-sided heat dissipation from a semiconductor chip HLC in the disconnected circuit carrier semiconductor chip state Each of the two circuit carriers ST has a metal layer MS, preferably made of copper, which is either on one side, as shown in FIG. 2A, or on both sides - for example, when realizing a multilayer system with several stacked semiconductor chips and circuit carriers is - located on the circuit carrier ST.
  • a metal layer MS preferably made of copper, which is either on one side, as shown in FIG. 2A, or on both sides - for example, when realizing a multilayer system with several stacked semiconductor chips and circuit carriers is - located on the circuit carrier ST.
  • the metal layer MS of the circuit carrier is shown in FIG. 2A and also below with reference to FIG. 2B and FIG. 2C.
  • the circuit carrier ST can have a substrate layer (not shown) as the carrier material for the metal layer MS, although other carrier materials can also be used.
  • the circuit carrier ST is preferably a thick copper substrate - such as a Printed Circuit Board ⁇ PCB>, Direct Bonding Copper ⁇ DCB>, Active Metal Brazing ⁇ AMB>, leadframes, a laminated thick copper substrate or a molded ( Molding or pressure lamination) manufactured thick copper polymer substrate.
  • a thick copper substrate - such as a Printed Circuit Board ⁇ PCB>, Direct Bonding Copper ⁇ DCB>, Active Metal Brazing ⁇ AMB>, leadframes, a laminated thick copper substrate or a molded ( Molding or pressure lamination) manufactured thick copper polymer substrate.
  • the metal layer MS preferably has a thickness essentially in the range of 0.3 to 5.0 mm.
  • the semiconductor chip HLC is to be connected to the circuit carrier ST in terms of structure and connection technology, for example by soldering with standard solder or gluing with electrically conductive adhesives, at least on one side of the chip bottom side CUS and the chip top side COS.
  • soldering with standard solder or gluing with electrically conductive adhesives
  • the connection can only be one-sided.
  • the all-clear for the semiconductor chip HLC is essentially determined at connection points between the semiconductor chip HLC and the circuit carrier ST by the thermal conductivity of a connecting material VBS used in the connection technology. How the connection is established will be discussed in more detail below in connection with the description of FIGURE 2B.
  • a large number of cooling bodies EWK for surface enlargement of the connection points are now attached in the manner of steles, both on the bottom side of the chip CUS and on the top side of the chip COS, with a given body geometry, achieving a maximum possible packing density.
  • the heat dissipation bodies EWK can, however, alternatively only be attached on one of the two sides, either on the chip underside CUS or on the chip top side COS. Attaching it on both sides logically ensures better heat dissipation and also enables the construction of a multilayer system with several semiconductor chips and circuit carriers stacked on top of one another.
  • the number can be so large, as shown in FIG. 1A, that the chip surface is essentially completely covered with heat dissipation bodies EWK. In other words, the packing density is maximum. You, the number and the packing density can also be smaller.
  • the body geometry of the heat dissipation body EWK is, as in FIGS. 1A and 1B, in the shape of a cylinder column. As already mentioned, this is not a MUST either.
  • the attachment of the heat dissipation bodies EWK by connection is preferably carried out as already described above in connection with FIG. 1A.
  • FIGURE 2A shows the basic structure of the EWKA cooling body arrangement in a side view with no uniform reference to FIGURES 1A and 1B, as far as the number of cooling bodies is concerned.
  • FIG. 2B shows the heat dissipation body arrangement according to FIG. 2A with the two circuit carriers ST for double-sided heat dissipation of the semiconductor chip HLC in the circuit carrier semiconductor chip state preparing for connection by soldering or gluing.
  • connection form connections formed from the heat dissipation bodies EWK and cavities KAV are connected in an electrically conductive and material or non-positive manner.
  • the heat dissipation is essentially determined by the thermal conductivity of a connection material VBS used in the connection technology.
  • VBS for the electrically conductive and material or force-locking connection, either standard solder SL, which are soldered at the connection points, or electrically conductive adhesives KS, which are glued ver at the connection points, are used.
  • the connecting substance VBS is preferably applied either to the heat dissipation bodies EWK forming the pillar structure or in the cavities KAV of the metal layer MS of the respective circuit carrier ST.
  • FIG. 2C shows the heat dissipation body arrangement EWKA according to FIGS. 2A and 2B with the two circuit carriers ST for doubling the heat dissipation of the semiconductor chip HLC in the circuit carrier semiconductor chip state connected by soldering or gluing.
  • Multi-layer systems can also be built, ie several semiconductor chips and circuit carriers stacked on top of each other, - A simpler assembly of semiconductor chips is possible by automatically centering the pillar structure in the counterpart of the substrate,
  • the semiconductor chip can no longer be blurred due to the pillar
  • FIG. 3 shows a heat dissipation body arrangement EWKA with two circuit carriers ST for double-sided heat dissipation from two semiconductor chips HLC with parallel preparatory chip control in the circuit carrier-semiconductor chip assembly.
  • the semiconductor chips are already connected beforehand with a polymer PLY for the purpose of handling, so that they can easily be further processed as a chip-substrate composite.
  • the EWLB method Embedded Wafer Level Ball-Grid-Array
  • the EWLB method has established itself as a technology for this. Also the
  • Circuit carrier ST is already produced beforehand, for example as a thick Cu mold substrate, so that the electrical chip control lines etc. can easily be laid by means of isolated areas - shown hatched in FIG. 3 and designated as polymer insulation .

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

Um eine wirtschaftliche und effiziente Entwärmung von Halbleiterchips mit integrierten elektronischen Schaltungen für leistungselektronische Anwendungen zu erreichen, wird es vorgeschlagen, [i] mindestens ein Halbleiterchip (HLC) wenigstens auf einer Seite von Chipunterseite (CUS) und Chipoberseite (COS) zumindest mit einem ein- oder beidseitig mit einer Metallschicht (MS), vorzugsweise aus Kupfer, beschichteten Schaltungsträger (ST) aufbau- und verbindungstechnisch, z.B. durch Löten mit Standardloten oder Kleben mit elektrisch leitfähigen Klebstoffen, zu verbinden, wobei die Entwärmung im Wesentlichen an Verbindungsstellen zwischen dem Halbleiterchip (HLC) und dem Schaltungsträger (ST) durch die Wärmeleitfähigkeit eines bei der Verbindungstechnik verwendeten Verbindungsstoffs (VBS) bestimmt wird, [ii] eine Vielzahl von Entwärmungskörpern (EWK) zur Oberflächenvergrößerung der Verbindungsstellen, bei gegebener Körpergeometrie eine maximal möglicher Packungsdichte erreichend, stelenartig zumindest auf einer Seite von der Chipunterseite (CUS) und der Chipoberseite (COS) verbindungstechnisch anzubringen, [iii] eine zu der Anzahl der Entwärmungskörper (EWK) korrespondierende Vielzahl von an die Körpergeometrie der Entwärmungskörper (EWK) für Verbindungsformschlüsse adaptierte Kavitäten (KAV) in der Metallschicht (MS) des Schaltungsträgers (ST), die mit dem Halbleiterchip (HLC) aufbau- und verbindungstechnisch verbunden wird, zu benutzen sowie [iv] die aus den Entwärmungskörpern (EWK) und Kavitäten (KAV) gebildeten Verbindungsformschlüsse elektrisch leitfähig sowie stoff- oder kraftschlüssig zu verbinden.

Description

Beschreibung
Verfahren und Entwärmungskörper-Anordnung zur Entwärmung von Halbleiterchips mit integrierten elektronischen Schaltungen für leistungselektronische Anwendungen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Entwärmung von Halbleiterchips mit integrierten elektronischen Schaltun gen für leistungselektronische Anwendungen gemäß dem Oberbe griff des Patentanspruches 1 und eine Entwärmungskörper- Anordnung zur Entwärmung von Halbleiterchips mit integrierten elektronischen Schaltungen für leistungselektronische Anwen dungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 9.
Für leistungselektronische Anwendungen müssen heutige Halb leiterchips, wie z.B. " Insulated-Gate Bipolar-Transistors <IGBTs>", Dioden, "Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors <MOSFETs>", Junction Field-Effect Transistors <JFETs>", etc., effizient entwärmt werden, um einerseits eine möglichst hohe Langlebigkeit zu erreichen und andererseits hohe Ströme schalten zu können. Hierzu werden die Halbleiter chips entweder einseitig oder doppelseitig mit einem Träger, z.B. als "Printed Circuit Board <PCB>", "Direct Bonded Copper <DBC>", "Active Metal Braze <AMB>", Cu-Leadframe etc., ver bunden .
Die Verbindungsstelle besteht dabei üblicherweise aus Lot, wie z.B. Sn-basierte-Lote, Sinterverbindungen, wie z.B. Ag- basierte Sinterverbindungen, oder Diffusionslote, wie z.B. CuSn-basierte Diffusionslote. Deren Wärmeleitfähigkeit ist dabei maßgeblich für die Entwärmung der Halbleiterchips ver antwortlich. So besitzen Standardlote, wie z.B. SAC-basierte Lote aus Sn, Ag und Cu, lediglich ca. 5-10% der Wärmeleitfä higkeit bei einer Ag-basierten Sinterverbindung. Aus diesem Grund werden solche Ag-basierten Sinterverbindungen für eine effiziente Entwärmung von kleinen Chips oder Hochleistung schips verwendet. Diese Art der Verbindung ist jedoch mit ei nem hohen Aufwand und mit hohen Kosten verbunden. Deshalb wä- re es wünschenswert, auch mit Standardloten oder mit elektri schen leitfähigen Klebern, die z.B. auf Polymerbasis beste hen, eine effiziente Entwärmung zu erreichen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren und eine Entwärmungskörper-Anordnung zur Entwärmung von Halbleiterchips mit integrierten elektronischen Schaltun gen für leistungselektronische Anwendungen anzugeben, mit dem bzw. der eine wirtschaftliche und effiziente "Halbleierchip"- Entwärmung erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird ausgehend von dem im Oberbegriff des Pa tentanspruchs 1 definierten dem Entwärmungsverfahren durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkma le gelöst.
Darüber hinaus wird die Aufgabe ausgehend von der im Oberbe griff des Patentanspruchs 9 definierten Entwärmungskörper- Anordnung durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 9 an gegebenen Merkmale gelöst.
Die der Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1 und 9 zugrundeliegenden Idee besteht darin,
1) mindestens ein Halbleiterchip wenigstens auf einer Seite von Chipunterseite und Chipoberseite zumindest mit einem ein- oder beidseitig mit einer Metallschicht, vorzugsweise aus Kupfer, beschichteten Schaltungsträger aufbau- und verbin dungstechnisch, z.B. durch Löten mit Standardloten oder Kle ben mit elektrisch leitfähigen Klebstoffen, zu verbinden, wo bei die Entwärmung im Wesentlichen an Verbindungsstellen zwi schen dem Halbleiterchip und dem Schaltungsträger durch die Wärmeleitfähigkeit eines bei der Verbindungstechnik verwende ten Verbindungsstoffs bestimmt wird,
2 ) eine Vielzahl von Entwärmungskörpern zur Oberflächenver größerung der Verbindungsstellen, bei gegebener Körpergeomet rie eine maximal möglicher Packungsdichte erreichend, stelen artig zumindest auf einer Seite von der Chipunterseite und der Chipoberseite verbindungstechnisch anzubringen, 3 ) eine zu der Anzahl der Entwärmungskörper korrespondierende Vielzahl von an die Körpergeometrie der Entwärmungskörper für Verbindungsformschlüsse adaptierte Kavitäten in der Metall schicht des Schaltungsträgers , die mit dem Halbleiterchip aufbau- und verbindungstechnisch verbunden wird, zu benutzen sowie
4 ) die aus den Entwärmungskörpern und Kavitäten gebildeten Verbindungsformschlüsse elektrisch leitfähig sowie stoff- o- der kraftschlüssig zu verbinden.
In Bezug auf das Anbringen der Entwärmungskörper ist es gemäß den Ansprüchen 2 und 10 vorteilhaft, wenn die Entwärmungskör per auf der Chipunterseite und der Chipoberseite durch ther misches Sprühen, wie z.B. Metall-, Schmelzbad-, Lichtbogen-, Plasma-, Kaltgas-, Drahtflamm-, Pulverflamm- , Hochgeschwin- digkeitsflamm-, Detonations- oder Laserspritzen, durch galva nische Methoden, durch Laserschweißen, Diffusionslöten, Kle ben oder durch Silber-Sinter-Verbindungen angebracht werden.
Im Hinblick auf die Materialbeschaffenheit der Entwärmungs körper ist es gemäß den Ansprüchen 3 und 11 von Vorteil, wenn diese aus Metall - wie z.B. Kupfer <Cu>, Silber <Ag>, Gold <Au>, Eisen <Fe>, Zinn <Sn>, Nickel <Ni>, Aluminium <A1>, Mo lybdän <Mo> oder Wolfram <Wo> -, Legierungen mit mindestens einem dieser Metalle, Halbmetall, Metall-Keramiken, hochdo tierte Halbleiter - wie z.B. Silizium <Si>, Siliziumkarbid <SiC>, Galiumnitrid <GaN> etc. - oder graphitbasierten Mate rialien hergestellt sind. Die Entwärmungskörper können auch aus verschiedenen Materialkombinationen aufgebaut sein, wie z.B. Kupfer an einem Ende und Graphit am anderen Ende.
Hinsichtlich der Formgestaltung der Entwärmungskörper ist es gemäß den Ansprüchen 4 und 12 zweckmäßig, wenn die Entwär mungskörper Zylinder-, prismen-, pyramiden-, kegel-, quader-, Würfel- dreiecksäulenförmige ausgebildet sind. Jeder säulen förmige Entwärmungskörper ist dabei vorzugsweise derart ge staltet, dass die Entwärmungskörper in der Seitenansicht je- weils mit oder ohne Verjüngungen, Hinterschneidungen oder Verbindungen zueinander versehen sein können.
Weiterhin ist es für die Entwarnung gemäß den Ansprüchen 5 und 13 von Vorteil, wenn die Entwärmungskörper eine Stelen größe im Wesentlichen in der Größenordnung von 0,3 bis 1,0mm haben .
Für die Entwärmung ist es gemäß den Ansprüchen 6 und 14 vor teilhaft, wenn der Schaltungsträger ein Dick-Kupfer-Substrat - wie z.B. Printed Circuit Board <PCB>, Direct Bonding Copper <DCB>, Active Metal Brazing <AMB>, Leadframes, ein laminier tes Dick-Kupfer-Substrat oder ein durch Formen (engl. Molding oder Drucklamination) hergestelltes Dick-Kupfer-Polymer- Substrat ist.
Dabei ist dann gemäß den Ansprüchen 7 und 15 zweckmäßig, wenn die Metallschicht eine Dicke im Wesentlichen in der Größen ordnung von 0,3 bis 5,0mm aufweist.
Im Sinne einer wirtschaftlichen und effizienten Entwärmung ist es zudem gemäß den Ansprüchen 8 und 16 von besonderem Vorteil, dass die elektrisch leitfähige sowie stoff- oder kraftschlüssige Verbindung durch Löten mit Standardloten oder Kleben mit elektrisch leitfähigen Klebstoffen erzeugt werden kann .
Fazit: Somit ist es insgesamt trotz des Einsatzes von
schlechten wärmeleitfähigen Loten oder Leitklebern aus Grün den der Wirtschaftlichkeit möglich, eine effiziente Halb- leiterchip-Entwärmung zu erreichen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfol genden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der FIGUREN 1A, 1B, 2A bis 2C und 3 erläutert. Es zei gen : FIGUR 1A in Draufsicht eine Gruppierung von Entwärmungskör- pern auf einen Halbleiterchip mit integrierten elektronischen Schaltungen für leistungselektronische Anwendungen zu dessen Entwarnung,
FIGUR 1B in Seitenansicht die Halbleiterchip-Entwärmungskör- per-Baugruppe gemäß der FIGUR 1A,
FIGUR 2A eine Entwärmungskörper-Anordnung mit zwei Schal tungsträgern zur doppelseitiger Entwärmung eines Halbleiter chips im unverbundenen Schaltungsträger-Halbleiterchip- Zustand,
FIGUR 2B die Entwärmungskörper-Anordnung gemäß der FIGUR 2A mit den zwei Schaltungsträgern zur doppelseitiger Entwärmung des Halbleiterchips im zur Verbindung durch Löten oder Kleben vorbereitenden Schaltungsträger-Halbleiterchip-Zustand,
FIGUR 2C die Entwärmungskörper-Anordnung gemäß den FIGUREN 2A und 2B mit den zwei Schaltungsträgern zur doppelseitiger Ent wärmung des Halbleiterchips im zur durch Löten oder Kleben verbundenen Schaltungsträger-Halbleiterchip-Zustand,
FIGUR 3 eine Entwärmungskörper-Anordnung mit zwei Schaltungs trägern zur doppelseitiger Entwärmung von zwei Halbleiter chips bei paralleler vorbereitender Chipansteuerung im Schal tungsträger-Halbleiterchip-Verbund .
FIGUR 1A zeigt in Draufsicht eine Gruppierung von Entwär- mungskörpern EWK auf einen Halbleiterchip HLC mit integrier ten elektronischen Schaltungen für leistungselektronische An wendungen zu dessen Entwärmung.
Eine effiziente Entwärmung des Halbleiterchip HLC kann dadurch erreicht werden, dass, wie in der FIGUR 1A darge stellt, die Entwärmungskörper EWK einseitig oder sogar, zur weiteren Verbesserung der Erwärmung, doppelseitig auf den Halbleiterchip HLC aufgebracht werden. Die Entwärmungskörper EWK sind wie dargestellt zylindersäulenförmig in der Art von Stelen auf dem Halbleiterchip HLC angeordnet. Alternativ zu der Zylindersäulenform sind auch andere Formen denkbar. So z.B. prismen-, pyramiden-, kegel-, quader-, Würfel- dreieck säulenförmig Stelen, die analog zu der Darstellung in der FIGUR 1A in gleicher Weise auf dem Halbleiterchip HLC ange ordnet sein können. Dies bedeutet dann jedoch, wie später bei der Beschreibung der FIGUREN 2A bis 2C deutlich wird, dass Schaltungsträger-Kavitäten für Verbindungsformschlüsse ent sprechend ausgebildet sein müssen.
Die zylindersäulenförmigen als Stelen auf dem Halbleiterchip HLC aufgebrachten Entwärmungskörper EWK bilden eine Pillar- Struktur, bei der die stelenartigen Entwärmungskörper EWK durch verschiedenste Aufbringungsmethoden auf dem Halbeiter chip HLC fixiert werden.
Hierzu eignen sich vor allem thermische Metallsprüh-Methoden, galvanische Methoden, Laserschweißen, Diffusionslöten, Kleben sowie Silber-Sinter-Verbindungen . Die thermische Sprühmethode ist hierbei als übergeordneter Begriff anzusehen. Unterkate gorien sind hierbei z.B. Zerstäuben aus einer Schmelze
(Schmelzbadspritzen) , elektrische Lichtbogen- oder Gasentla dung (z.B. Lichtbogenspritzen oder Plasmaspritzen), Gasexpan sion ohne Verbrennung (z.B. Kaltgasspritzen), Verbrennung (z.B. Drahtflammspritzen, Pulverflammspritzen, Hochgeschwin- digkeitsflammspritzen, Detonationsspritzen) oder gebündelter energetischer Strahl (z.B. Laserspritzen).
Durch die so aufgebrachte und verwendete Pillar-Struktur wird die Oberfläche des Halbleiterchips HLC erheblich vergrößert. So kann bei einem Chipmaß von 10 mm x 10 mm, einem Pillar- Durchmesser von 0,5 mm, einer Pillar-Länge von 2 mm und einer Pillar-Anzahl von 290 die Oberfläche bereits verzehnfacht werden. Dies führt dazu, dass mittels verwendeter Lotschich ten vergleichbare Gesamt-Wärmeleitfähigkeiten wie bei Silber- Sinterschichten erreicht werden können. Vorausgesetzt die Pillar-Struktur bestehen aus einem gut Wärmeleitfähigen Mate rial, wie z.B. Kupfer <Cu>.
Die Pillar-Struktur bzw. die Entwärmungskörper EWK sollten dabei mit einer möglichst hohen Wärmeleitfähigkeit an den Halbleiterchip angebunden werden und auch selbst eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Als Material kommen dabei neben Kupfer <Cu> die Metalle, wie z.B. Silber <Ag>, Gold <Au>, Ei sen <Fe>, Zinn <Sn>, Nickel <Ni>, Aluminium <A1>, Molybdän <Mo> oder Wolfram <Wo> -, Legierungen mit mindestens einem dieser Metalle, Halbmetalle, Metall-Keramiken, hochdotierte Halbleiter - wie z.B. Silizium <Si>, Siliziumkarbid <SiC>, Galiumnitrid <GaN> etc. - oder graphitbasierte Materialien in Frage .
Darüber hinaus kann die Pillar-Struktur bzw. können die Ent wärmungskörper EWK auch aus verschiedenen Materialkombinatio nen aufgebaut sein, wie z.B. Kupfer an einem Ende des Pillars bzw. Körpers und Graphit am anderen Ende.
FIGUR 1B zeigt in Seitenansicht die Halbleiterchip-Entwär- mungskörper-Baugruppe gemäß der FIGUR 1A. 13. Die Entwär mungskörper EWK weisen gemäß dieser Darstellung vorzugsweise jeweils eine Stelengröße im Wesentlichen in der Größenordnung von 0,3 bis 1,0mm auf. Wie bereits bei der Beschreibung der FIGUR 1A angedeutet könnte die Stelengröße zur Vergrößerung der Oberfläche des Halbleiterchips HLC auch durchaus 2mm be tragen, was bei der gegebenen Chipoberfläche und der Anzahl der Entwärmunsgkörper auf dieser Oberfläche eine Verzehnfa- chung der ursprünglichen Chipoberfläche ohne die Entwärmungs körper EWK bedeuten würde.
Die Seitenansicht zeigt darüber hinaus, dass die stelenarti gen Entwärmungskörper EWK keine Verjüngungen, Hinterschnei dungen oder Verbindungen zueinander haben. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass dieses der Fall ist. Dies bedeutet dann auch hier wieder, wie später bei der Beschreibung der FIGUREN 2A bis 2C deutlich wird, dass Schaltungsträger- Kavitäten für Verbindungsformschlüsse entsprechend ausgebil det sein müssen.
FIGUR 2A eine Entwärmungskörper-Anordnung EWKA mit zwei
Schaltungsträgern ST zur doppelseitiger Entwärmung eines Halbleiterchips HLC im unverbundenen Schaltungsträger- Halbleiterchip-Zustand . Jeder der zwei Schaltungsträger ST weist eine vorzugsweise aus Kupfer aufgebaute Metallschicht MS auf, die sich entweder einseitig, wie in der FIGUR 2A dar gestellt, oder aber auch beidseitig - z.B. dann, wenn ein mehrlagiges Systeme mit mehrere übereinander gestapelte Halb leiterchips und Schaltungsträger zu realisieren ist, - auf dem Schaltungsträger ST befindet. In der FIGUR 2A und auch nachfolgend in Bezug auf FIGUR 2B und FIGUR 2C ist von dem Schaltungsträger nur die Metallschicht MS dargestellt. So kann der Schaltungsträger ST z.B. als Trägermaterial für die Metallschicht MS eine nicht dargestellte Substratschicht auf weisen, wobei aber auch andere Trägermaterialien in Frage kommen können.
Der Schaltungsträger ST ist vorzugsweise ein Dick-Kupfer- Substrat - wie z.B. Printed Circuit Board <PCB>, Direct Bon ding Copper <DCB>, Active Metal Brazing <AMB>, Leadframes, ein laminiertes Dick-Kupfer-Substrat oder ein durch Formen (engl. Molding oder Drucklamination) hergestelltes Dick- Kupfer-Polymer-Substrat .
Die Metallschicht MS vorzugsweise eine Dicke im Wesentlichen in der Größenordnung von 0,3 bis 5,0mm aufweist.
Der Halbleiterchip HLC soll nun gemäß der FIGUR 2A wenigstens auf einer Seite von Chipunterseite CUS und Chipoberseite COS mit dem Schaltungsträger ST aufbau- und verbindungstechnisch, z.B. durch Löten mit Standardloten oder Kleben mit elektrisch leitfähigen Klebstoffen, verbunden werden. In der FIGUR 2A und auch nachfolgend in Bezug auf FIGUR 2B und FIGUR 2C er folgt die Verbindung zwischen dem Halbleiterchip HLC und dem Schaltungsträger ST bzw. präziser ausgedrückt zwischen dem Halbleiterchip HLC und der Metallschicht MS des Schaltungs trägers ST zur doppelseitiger Entwarnung sowohl auf der Chi punterseite CUS als auch auf der Chipoberseite COS. Aber die Verbindung kann auch nur einseitig erfolgen.
Die Entwarnung des Halbleiterchips HLC wird dabei im Wesent lichen an Verbindungsstellen zwischen dem Halbleiterchip HLC und dem Schaltungsträger ST durch die Wärmeleitfähigkeit ei nes bei der Verbindungstechnik verwendeten Verbindungsstoffs VBS bestimmt. Wie die Verbindung hergestellt wird nachfolgend mehr im Zusammenhang mit der Beschreibung von FIGUR 2B.
Für die Entwärmung des Halbleiterchips HLC ist jetzt eine Vielzahl von Entwärmungskörpern EWK zur Oberflächenvergröße rung der Verbindungsstellen, bei gegebener Körpergeometrie eine maximal möglicher Packungsdichte erreichend stelenartig sowohl auf der Chipunterseite CUS als auch auf der Chipober seite COS verbindungstechnisch angebracht. Die Entwärmungs- körper EWK können aber alternativ nur auf einer der beiden Seiten, entweder auf der Chipunterseite CUS oder auf der Chi poberseite COS angebracht sein. Die beidseitige Anbringung sorgt logischerweise für eine bessere Entwärmung und ermög- lichr darüber hinaus noch den Aufbau eines mehrlagigen Sys tems mit mehrere übereinander gestapelte Halbleiterchips und Schaltungsträgem .
Die Anzahl kann dabei so groß sein - wie in der FIGUR 1A dar gestellt, dass die Chipoberfläche im Wesentlichen vollständig mit Entwärmungskörpern EWK belegt ist. Sprich, die Packungs dichte also maximal ist. Sie, die Anzahl als auch die Pa ckungsdichte, kann aber auch kleiner sein.
Die Körpergeometrie der Entwärmungskörper EWK ist wie in den FIGUREN 1A und 1B zylindersäulenförmig. Auch dies ist wie be reits ausgeführt kein MUSS. Das verbindungstechnische Anbringen der Entwärmungskörper EWK erfolgt vorzugsweise wie bereits vorstehend im Zusammenhang mit der FIGUR 1A beschrieben.
Die FIGUR 2A wie auch nachfolgend FIGUR 2B und FIGUR 2C zei gen jeweils in einer Seitenansicht ohne einheitlichen Bezug zu den FIGUREN 1A und 1B, was die Entwärmungskörpersanzahl anbetrifft, den prinzipiellen Aufbau der Entwärmungskörper- Anordnung EWKA.
Korrespondierend zu der Anzahl der Entwärmungskörper EWK ist in der Metallschicht MS des jeweiligen Schaltungsträgers ST, die mit dem Halbleiterchip HLC aufbau- und verbindungstech- nisch verbunden werden soll (FIGUR 2A und FIGUR 2B) bzw. ist (FIGUR 2C) , eine Vielzahl von an die Körpergeometrie der Ent wärmungskörper EWK für Verbindungsformschlüsse adaptierte Ka vitäten KAV enthalten.
FIGUR 2B zeigt die Entwärmungskörper-Anordnung gemäß der FIGUR 2A mit den zwei Schaltungsträgern ST zur doppelseitiger Entwärmung des Halbleiterchips HLC im zur Verbindung durch Löten oder Kleben vorbereitenden Schaltungsträger- Halbleiterchip-Zustand .
Zur Herstellung dieses Zustands (Übergang von der FIGUR 2A zu der FIGUR 2B) werden die aus den Entwärmungskörpern EWK und Kavitäten KAV gebildeten Verbindungsformschlüsse elektrisch leitfähig sowie stoff- oder kraftschlüssig verbunden werden. An Verbindungsstellen zwischen dem Halbleiterchip HLC und dem Schaltungsträger ST bzw. der Metallschicht MS des Schaltungs trägers ST wird die Entwärmung im Wesentlichen durch die Wär meleitfähigkeit eines bei der Verbindungstechnik verwendeten Verbindungsstoffs VBS bestimmt. Als Verbindungsstoff VBS für die elektrisch leitfähige sowie stoff- oder kraftschlüssige Verbindung kommen vorzugsweise entweder Standardlote SL, die an den Verbindungsstellen verlötet werden, oder elektrisch leitfähige Klebstoffe KS, die an den Verbindungsstellen ver klebt werden, zum Einsatz. Der Verbindungsstoff VBS wird dabei vorzugsweise entweder auf den die Pillar-Struktur bildenden Entwärmungskörpern EWK oder in die Kavitäten KAV der Metallschicht MS des jeweiligen Schaltungsträgers ST aufgetragen.
FIGUR 2C zeigt die Entwärmungskörper-Anordnung EWKA gemäß den FIGUREN 2A und 2B mit den zwei Schaltungsträgern ST zur dop pelseitiger Entwärmung des Halbleiterchips HLC im zur durch Löten oder Kleben verbundenen Schaltungsträger- Halbleiterchip-Zustand .
Dieser Zustand entsteht, dadurch, dass der Halbeleiterchip HLC mit den darauf befindlichen Entwärmungskörpern EWK zZu- sammengefügt werden, wobei dabei die Entwärmungskörper EWK in die Kavitäten eintauchen und wie dargestellt sowohl
elektrisch leitfähig als auch stoff- oder kraftschlüssig ver bunden werden.
Die, wie vorstehend beschrieben, vorgenommene Entwärmung von Halbleiterchips mit integrierten elektronischen Schaltungen für leistungselektronische Anwendungen zeichnet in vorteil hafter Weise, dass
- mittels einfacher und günstiger Aufbau- und Verbindungs techniken, wie z.B. Löten, Kleben, etc., hohe Entwärmungen erreicht werden können, die mit herkömmlichen mit Silber- Sinter-Verbindungen vergleichbar sind,
- herkömmliche Schaltungsträger, die aus Dick-Kupfer- Substraten mit Kupfer-Schichtdicken-Dicken zwischen 0,3 mm und 5 mm hergestellt sind, verwendet werden können,
- die Ausdehnungsproblematik zwischen Halbleiterchips (2,5— 5E-06 m/ (m*K) ) und Kupfer (16,5E-06 m/ (m*K) ) durch die Ver wendung von kleinen Pillar-Strukturen erheblich reduziert ist,
- auch mehrlagige Systeme aufgebaut werden können, d.h. meh rere übereinander gestapelte Halbleiterchips und Schaltungs träger, - eine einfachere Bestückung von Halbleiterchips möglich ist, indem die Pillar-Sstruktur in das Gegenstück des Substrates automatisch zentriert werden kann,
- beim Härtungsprozess (curing process) kein Verschwimmen des Halbleiterchips mehr möglich ist aufgrund der Pillar-
Struktur .
FIGUR 3 zeigt eine Entwärmungskörper-Anordnung EWKA mit zwei Schaltungsträgern ST zur doppelseitiger Entwärmung von zwei Halbleiterchips HLC bei paralleler vorbereitender Chipansteu- erung im Schaltungsträger-Halbleiterchip-Verbund .
Hierbei werden die Halbleiterchips zwecks der Handhabung be reits vorher mit einem Polymer PLY verbunden, so dass diese als Chip-Substrat-Verbund einfach weiterverarbeitet werden können. Als Technik hierfür hat sich z.B. EWLB-Methode (Em- bedded Wafer Level Ball-grid-array) etabliert. Auch der
Schaltungsträger ST ist bereits vorher hergestellt, so z.B. als Dick-Cu-Mold-Substrat, so dass mittels isolierter Berei- che - in der FIGUR 3 schraffiert gezeichnet und als Polymer- Isolation bezeichnet - die elektrischen Chipansteuerungslei- tungen etc. leicht gelegt werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Entwarnung von Halbleiterchips mit inte grierten elektronischen Schaltungen für leistungselektroni sche Anwendungen, bei dem mindestens ein Halbleiterchip (HLC) wenigstens auf einer Seite von Chipunterseite (CUS) und Chip oberseite (COS) zumindest mit einem ein- oder beidseitig mit einer Metallschicht (MS), vorzugsweise aus Kupfer, beschich teten Schaltungsträger (ST) aufbau- und verbindungstechnisch, insbesondere z.B. durch Löten mit Standardloten oder Kleben mit elektrisch leitfähigen Klebstoffen, verbunden wird und dabei die Entwärmung im Wesentlichen an Verbindungsstellen zwischen dem Halbleiterchip (HLC) und dem Schaltungsträger (ST) durch die Wärmeleitfähigkeit eines bei der Verbindungs technik verwendeten Verbindungsstoffs (VBS) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
a) eine Vielzahl von Entwärmungskörpern (EWK) zur Oberflä chenvergrößerung der Verbindungsstellen, bei gegebener Kör pergeometrie eine maximal mögliche Packungsdichte erreichend, stelenartig zumindest auf einer Seite von der Chipunterseite (CUS) und der Chipoberseite (COS) verbindungstechnisch ange bracht wird,
b) eine zu der Anzahl der Entwärmungskörper (EWK) korrespon dierende Vielzahl von an die Körpergeometrie der Entwärmungs körper (EWK) für Verbindungsformschlüsse adaptierte Kavitäten (KAV) in der Metallschicht (MS) des Schaltungsträgers (ST), die mit dem Halbleiterchip (HLC) aufbau- und verbindungstech- nisch verbunden wird, benutzt wird,
c) die aus den Entwärmungskörpern (EWK) und Kavitäten (KAV) gebildeten Verbindungsformschlüsse elektrisch leitfähig sowie stoff- oder kraftschlüssig verbunden werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Entwärmungskörper (EWK) auf der Chipunterseite (CUS) und der Chipoberseite (COS) durch thermisches Sprühen, wie z.B. Metall-, Schmelzbad-, Lichtbogen-, Plasma-, Kaltgas-, Draht flamm-, Pulverflamm- , Hochgeschwindigkeitsflamm-, Detona- tions- oder Laserspritzen, durch galvanische Methoden, durch Laserschweißen, Diffusionslöten, Kleben oder durch Silber- Sinter-Verbindungen angebracht werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass
Metalle - wie z.B. Kupfer <Cu>, Silber <Ag>, Gold <Au>, Eisen <Fe>, Zinn <Sn>, Nickel <Ni>, Aluminium <A1>, Molybdän <Mo> oder Wolfram <Wo> -, Legierungen mit mindestens einem dieser Metalle, Halbmetalle, Metall-Keramiken, hochdotierte Halblei ter - wie z.B. Silizium <Si>, Siliziumkarbid <SiC>, Galium- nitrid <GaN> etc. - oder graphitbasierte Materialien für die Entwärmungskörper (EWK) benutzt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
Zylinder-, prismen-, pyramiden-, kegel-, quader-, würfel dreiecksäulenförmige Entwärmungskörper (EWK) benutzt werden, die in der Seitenansicht jeweils mit oder ohne Verjüngungen, Hinterschneidungen oder Verbindungen zueinander beschaffen sein können.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Stelengröße im Wesentlichen in der Größenordnung von 0,3 bis 1,0mm für die Entwärmungskörper (EWK) benutzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Dick-Kupfer-Substrat - wie z.B. Printed Circuit Board <PCB>, Direct Bonding Copper <DCB>, Active Metal Brazing <AMB>, Leadframes, ein laminiertes Dick-Kupfer-Substrat oder ein durch Formen (engl. Molding oder Drucklamination) herge stelltes Dick-Kupfer-Polymer-Substrat als den Schaltungsträ- ger (ST) benutzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekenn zeichnet, dass eine Dicke im Wesentlichen in der Größenordnung von 0,3 bis 5,0mm für die Metallschicht (MS) benutzt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
die elektrisch leitfähige sowie stoff- oder kraftschlüssige Verbindung durch Löten mit Standardloten (SL) als den Verbin dungsstoff (VBS) oder Kleben mit elektrisch leitfähigen Kleb stoffen (KS) als den Verbindungsstoff (VBS) erzeugt wird.
9. Entwärmungskörper-Anordnung (EWKA) zur Entwärmung von Halbleiterchips mit integrierten elektronischen Schaltungen für leistungselektronische Anwendungen, mit mindestens einem Halbleiterchip (HLC) und mindestens einem ein- oder beidsei tig mit einer Metallschicht (MS), vorzugsweise aus Kupfer, beschichteten Schaltungsträger (ST) , wobei der Halbleiterchip (HLC) wenigstens auf einer Seite von Chipunterseite (CUS) und Chipoberseite (COS) mit dem Schaltungsträger (ST) aufbau- und verbindungstechnisch, insbesondere z.B. durch Löten mit Stan dardloten oder Kleben mit elektrisch leitfähigen Klebstoffen, verbunden ist und dabei die Entwärmung im Wesentlichen an Verbindungsstellen zwischen dem Halbleiterchip (HLC) und dem Schaltungsträger (ST) durch die Wärmeleitfähigkeit eines bei der Verbindungstechnik verwendeten Verbindungsstoffs (VBS) gegeben ist,
gekennzeichnet durch
a) eine Vielzahl von Entwärmungskörpern (EWK) , die zur Ober flächenvergrößerung der Verbindungsstellen, bei gegebener Körpergeometrie eine maximal mögliche Packungsdichte errei chend, stelenartig zumindest auf einer Seite von der Chipun terseite (CUS) und der Chipoberseite (COS) verbindungstech- nisch angebracht ist,
b) eine zu der Anzahl der Entwärmungskörper (EWK) korrespon dierende Vielzahl von an die Körpergeometrie der Entwärmungs körper (EWK) für Verbindungsformschlüsse adaptierte Kavitäten (KAV) , die in der Metallschicht (MS) des Schaltungsträgers (ST) , die mit dem Halbleiterchip (HLC) aufbau- und verbin dungstechnisch verbunden wird, enthalten ist, c) elektrische Leitfähigkeit sowie Stoff- oder Kraftschluss der aus den Entwärmungskörpern (EWK) und Kavitäten (KAV) ge bildeten Verbindungsformschlüsse .
10. Entwärmungskörper-Anordnung (EWKA) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass
die Entwärmungskörper (EWK) auf der Chipunterseite (CUS) und der Chipoberseite (COS) durch thermisches Sprühen, wie z.B. Metall-, Schmelzbad-, Lichtbogen-, Plasma-, Kaltgas-, Draht flamm-, Pulverflamm- , Hochgeschwindigkeitsflamm-, Detona- tions- oder Laserspritzen, durch galvanische Methoden, durch Laserschweißen, Diffusionslöten, Kleben oder durch Silber- Sinter-Verbindungen angebracht sind.
11. Entwärmungskörper-Anordnung (EWKA) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass
die Entwärmungskörper (EWK) Metalle - wie z.B. Kupfer <Cu>, Silber <Ag>, Gold <Au>, Eisen <Fe>, Zinn <Sn>, Nickel <Ni>, Aluminium <A1>, Molybdän <Mo> oder Wolfram <Wo> -, Legierun gen mit mindestens einem dieser Metalle, Halbmetalle, Metall- Keramiken, hochdotierte Halbleiter - wie z.B. Silizium <Si>, Siliziumkarbid <SiC>, Galiumnitrid <GaN> etc. - oder graphit basierte Materialien sind.
12. Entwärmungskörper-Anordnung (EWKA) nach einem der Ansprü che 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass
die Entwärmungskörper (EWK) Zylinder-, prismen-, pyramiden-, kegel-, quader-, Würfel- dreiecksäulenförmig sind, die in der Seitenansicht jeweils mit oder ohne Verjüngungen, Hinter schneidungen oder Verbindungen zueinander ausbildbar sind.
13. Entwärmungskörper-Anordnung (EWKA) nach einem der Ansprü che 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass
die Entwärmungskörper (EWK) jeweils eine Stelengröße im We sentlichen in der Größenordnung von 0,3 bis 1,0mm aufweisen.
14. Entwärmungskörper-Anordnung (EWKA) nach einem der Ansprü che 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (ST) ein Dick-Kupfer-Substrat - wie z.B. Printed Circuit Board <PCB>, Direct Bonding Copper <DCB>, Ac tive Metal Brazing <AMB>, Leadframes, ein laminiertes Dick- Kupfer-Substrat oder ein durch Formen (engl. Molding oder Drucklamination) hergestelltes Dick-Kupfer-Polymer-Substrat ist .
15. Entwärmungskörper-Anordnung (EWKA) nach Anspruch 9 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass
die Metallschicht (MS) eine Dicke im Wesentlichen in der Grö ßenordnung von 0,3 bis 5,0mm aufweist.
16. Entwärmungskörper-Anordnung (EWKA) nach einem der Ansprü che 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass
die elektrisch leitfähige sowie stoff- oder kraftschlüssige
Verbindung durch Löten mit Standardloten (SL) als den Verbin dungsstoff (VBS) oder Kleben mit elektrisch leitfähigen Kleb stoffen (KS) als den Verbindungsstoff (VBS) erzeugbar ist.
PCT/EP2020/063654 2019-07-25 2020-05-15 Verfahren und entwärmungskörper-anordnung zur entwärmung von halbleiterchips mit integrierten elektronischen schaltungen für leistungselektronische anwendungen WO2021013401A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019211109.2A DE102019211109A1 (de) 2019-07-25 2019-07-25 Verfahren und Entwärmungskörper-Anordnung zur Entwärmung von Halbleiterchips mit integrierten elektronischen Schaltungen für leistungselektronische Anwendungen
DE102019211109.2 2019-07-25

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021013401A1 true WO2021013401A1 (de) 2021-01-28

Family

ID=70918397

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2020/063654 WO2021013401A1 (de) 2019-07-25 2020-05-15 Verfahren und entwärmungskörper-anordnung zur entwärmung von halbleiterchips mit integrierten elektronischen schaltungen für leistungselektronische anwendungen

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102019211109A1 (de)
WO (1) WO2021013401A1 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4080563A1 (de) 2021-04-22 2022-10-26 Siemens Aktiengesellschaft Auf einen schaltungsträger aufbringbares schaltungselement, elektrischer verbinder sowie verfahren zum herstellen einer elektrischen verbindung
EP4080564A1 (de) 2021-04-22 2022-10-26 Siemens Aktiengesellschaft Elektrischer kontakt eines auf einen schaltungsträger aufbringbaren schaltungselements oder eines elektrischen verbinders sowie verfahren zum herstellen einer elektrisch leitenden verbindung
EP4318555A1 (de) 2022-08-04 2024-02-07 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum herstellen einer kaltverschweissten elektrischen verbindung zwischen einem schaltungselement und einem weiteren element mittels eines presswerkzeugs mit ausformungen

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021006117A1 (de) 2021-12-13 2023-06-15 Mercedes-Benz Group AG Elektrischer Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013165122A (ja) * 2012-02-09 2013-08-22 Mitsubishi Electric Corp 半導体装置およびその製造方法
US20160345465A1 (en) * 2015-05-18 2016-11-24 Forcecon Technology Co., Ltd. Heat radiator and method form forming the same
KR20180002957A (ko) * 2016-06-29 2018-01-09 현대자동차주식회사 파워 모듈 및 그 제조 방법

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7772036B2 (en) * 2006-04-06 2010-08-10 Freescale Semiconductor, Inc. Lead frame based, over-molded semiconductor package with integrated through hole technology (THT) heat spreader pin(s) and associated method of manufacturing
JP2015015412A (ja) * 2013-07-08 2015-01-22 富士電機株式会社 半導体装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013165122A (ja) * 2012-02-09 2013-08-22 Mitsubishi Electric Corp 半導体装置およびその製造方法
US20160345465A1 (en) * 2015-05-18 2016-11-24 Forcecon Technology Co., Ltd. Heat radiator and method form forming the same
KR20180002957A (ko) * 2016-06-29 2018-01-09 현대자동차주식회사 파워 모듈 및 그 제조 방법

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4080563A1 (de) 2021-04-22 2022-10-26 Siemens Aktiengesellschaft Auf einen schaltungsträger aufbringbares schaltungselement, elektrischer verbinder sowie verfahren zum herstellen einer elektrischen verbindung
EP4080564A1 (de) 2021-04-22 2022-10-26 Siemens Aktiengesellschaft Elektrischer kontakt eines auf einen schaltungsträger aufbringbaren schaltungselements oder eines elektrischen verbinders sowie verfahren zum herstellen einer elektrisch leitenden verbindung
EP4318555A1 (de) 2022-08-04 2024-02-07 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum herstellen einer kaltverschweissten elektrischen verbindung zwischen einem schaltungselement und einem weiteren element mittels eines presswerkzeugs mit ausformungen

Also Published As

Publication number Publication date
DE102019211109A1 (de) 2021-01-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2021013401A1 (de) Verfahren und entwärmungskörper-anordnung zur entwärmung von halbleiterchips mit integrierten elektronischen schaltungen für leistungselektronische anwendungen
DE102009028360B3 (de) Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsträgeranordnung und eines Leistungselektronikmoduls mit einer Verankerungsstruktur zur Herstellung einer temperaturwechselstabilen Lötverbindung
DE102012214901B4 (de) Halbleiteranordnung mit einer Diffusionslotschicht auf einer gesinterten Silberschicht und Verfahren zu deren Herstellung
DE102008023127B4 (de) Halbleiterbauelement und Verfahren zur Herstellung
DE102009014794B3 (de) Verfahren zum Herstellen eines für Hochvoltanwendungen geeigneten festen Leistungsmoduls und damit hergestelltes Leistungsmodul
DE102010003533B4 (de) Substratanordnung, Verfahren zur Herstellung einer Substratanordnung, Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls und Verfahren zur Herstellung einer Leistungshalbleitermodulanordnung
DE10009678C1 (de) Wärmeleitende Klebstoffverbindung und Verfahren zum Herstellen einer wärmeleitenden Klebstoffverbindung
CH652533A5 (de) Halbleiterbaustein.
DE10102621B4 (de) Leistungsmodul
DE102011082781B4 (de) Halbleitervorrichtung mit einer plattenelektrode zum verbinden einer mehrzahl an halbleiterchips
WO2010136017A1 (de) Gekühlte elektrische baueinheit
DE102014105727A1 (de) Direkt gekühlte substrate für halbleitermodule und entsprechende herstellungsverfahren
DE3735455A1 (de) Elektrische bauelemente
DE102014111786A1 (de) Kühlplatte, Bauelement, das eine Kühlplatte umfasst, und Verfahren zum Herstellen einer Kühlplatte
DE102014114808A1 (de) Elektronikmodul und Verfahren zur Herstellung eines Elektronikmoduls
DE102010041714A1 (de) Leistungshalbleitermodul und Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls
WO2022033806A2 (de) Leistungsmodul, elektrisches gerät und verfahren zur herstellung eines leistungsmoduls
DE102016115221A1 (de) Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei Substraten zur Bildung eines Moduls
DE102017203132A1 (de) Leistungsmodul
DE102007036841A1 (de) Halbleiterbauteil mit Halbleiterchip und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102015220639B4 (de) Halbleitervorrichtung und Verfahren zum Herstellen derselben
DE10157362B4 (de) Leistungsmodul und Verfahren zu seiner Herstellung
DE102018115509A1 (de) Wärmedissipationsvorrichtung, Halbleiterpackagingsystem und Verfahren zum Herstellen derselben
DE112018001239T5 (de) Halbleiterbauelement, verfahren zur herstellung desselben und halbleitermodul
DE102006011743A1 (de) Verfahren zum Herstellen von Peltier-Modulen sowie Peltier-Modul

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20728989

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20728989

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1