WO2021069450A1 - Leistungshalbleiterbauteil sowie verfahren zur herstellung eines leistungshalbleiterbauteils - Google Patents

Leistungshalbleiterbauteil sowie verfahren zur herstellung eines leistungshalbleiterbauteils Download PDF

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Detlev Bagung
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Definitions

  • the present invention relates to a power semiconductor component having a power semiconductor component arranged within a housing, as well as a method for producing a power semiconductor component.
  • Power semiconductor components such as MOSFETs are arranged in housings, typically plastic housings, with cooling surfaces, for example made of copper, exposed on the outside of the housing, whereby there are a number of different housing designs, such as D2PAK, DPAK, TO220 etc.
  • the components are partially designed as surface-mountable components and partly as push-through components. They typically have at least two connection pins which are led out of the plastic housing and can be connected to connections of a wiring substrate.
  • the efficient dissipation of this heat poses a particular challenge.
  • the heat is dissipated via the wiring substrate on which the packaged power semiconductor component is arranged. This can have thermal bores (vias) for this purpose, for example.
  • JP 2018-120 991 A discloses a power semiconductor module in which a power semiconductor component is soldered with its heat sink on a metallization of the wiring substrate.
  • a housing part made of metal makes contact with the metallization via a layer of thermally conductive material, so that heat can be dissipated to the housing.
  • a power semiconductor component which has at least one power semiconductor component arranged within a housing, a heat sink with an area a being exposed on a first surface of the housing.
  • the housing is in particular a plastic housing.
  • the heat sink is made in particular from metal.
  • the housing can, for example, have a substantially cuboid shape.
  • the power semiconductor component furthermore has a wiring substrate with a first main surface and a second main surface, a cooling region with increased thermal conductivity being arranged on the second main surface, the cooling region having an area A on the second main surface.
  • the wiring substrate can in particular be a printed circuit board, for example a PCB substrate, ie a printed circuit board.
  • the cooling region can in particular be formed from copper or a copper alloy.
  • the cooling region is from a section of a copper layer of the circuit board formed, for example by a copper surface of the copper layer arranged on a main surface of the printed circuit board.
  • the area a of the heat sink is smaller than the area A of the cooling region.
  • a ⁇ 0.75 A, especially a ⁇ 0.5, i.e. A can be more than twice as large as a.
  • the housing with the semiconductor component is arranged on the second main surface of the wiring substrate in such a way that the heat sink is arranged completely on the cooling region and is connected to it via a solder layer.
  • the solder layer is advantageously arranged in the heat dissipation region both within a mounting region corresponding in shape and extent to the first surface of the housing to be applied, as well as outside.
  • the cooling region on the wiring substrate protrudes laterally beyond the surface of the heat sink.
  • the cooling region is accordingly larger than would be necessary for applying the housing with the power semiconductor component and for the electrical and thermal connection.
  • the power semiconductor component has the advantage that the increased heat dissipation region greatly increases the mass of material with good thermal conductivity, in particular copper, on the wiring substrate. In particular, it can be more than doubled. In this way, the heat is not only effectively dissipated from the power semiconductor component, but there is also effective heat spreading in that heat can be dissipated laterally into all parts of the cooling region and given off there to the environment. In this way, the power semiconductor component is cooled particularly effectively.
  • the thickness of the cooling region can also be increased.
  • a maximum of 70 micrometers of copper is available per layer, sometimes up to 105 micrometers or up to 201 micrometers. This maximum thickness can be used for the The cooling region can be fully exploited in order to maximize the heat-conducting mass.
  • the large amount of highly thermally conductive material of the cooling region represents a buffer in order to absorb brief power peaks of the power semiconductor component, which cause a brief temperature rise.
  • the material forming the cooling region in particular copper or a copper alloy, is embedded in a matrix made of plastic material and the surface of the cooling region is preferably coplanar with the remaining surface of the wiring substrate.
  • the cooling region could also rest on a surface of the wiring substrate.
  • an additional area of the heat sink is exposed on a side surface of the housing and is covered with a heat dissipation compound made of a thermally conductive material.
  • a side surface of the housing is understood to mean an outer surface of the housing which is arranged perpendicular to the first surface. Such a side surface is not in direct contact with the wiring substrate in the assembled state.
  • the heat sink is not only exposed on one side surface, but it even protrudes from the housing and thus protrudes from the side surface. In this case, the entire outstanding area can be covered with the heat dissipation compound.
  • the material forming the heat dissipation compound can in particular be solder or conductive silver adhesive. These materials are in the Semiconductor technology already available materials that are easy to handle, can be applied well as a heat dissipation compound and have good thermal conductivity.
  • a method for producing the power semiconductor component described comprising the provision of at least one power semiconductor component arranged within a housing, a heat sink being exposed on a first surface of the housing, the heat sink having an area a on the first Has surface.
  • the method further comprises providing a wiring substrate having a first main surface and a second main surface, a cooling region with increased thermal conductivity being arranged on the second main surface, the cooling region having an area A on the second main surface, where a ⁇ A applies.
  • the method further comprises the application of solder mask in the cooling region on the wiring substrate, wherein the solder mask is a mounting region for receiving the housing with the solder mask
  • the assembly region corresponds in shape and size to the first surface of the housing to be applied.
  • a layer of solder is then applied to the cooling region and the housing is soldered to the power semiconductor component in the assembly region.
  • the solder layer is applied to increase the amount of highly thermally conductive material both inside and outside the assembly region and thus on both sides of the boundary of solder mask, with solder outside the assembly region only serving to dissipate and spread heat, not to fix the housing. Further areas of solder mask can be provided in the cooling region or outside it on the wiring substrate, as is known from the prior art.
  • the solder layer can in particular be printed onto the cooling region.
  • the task of the solder resist layer is to prevent the housing with the power semiconductor component from becoming blurred during soldering.
  • the solder resist layer therefore fixes the housing during soldering.
  • the solder layer has essentially the same extent as the cooling region. It can be a little smaller to prevent the solder from running into areas outside the cooling region. However, the solder layer accordingly has an area B that is significantly larger than a and approximately as large as A.
  • a method for producing the described power semiconductor component comprises providing at least one power semiconductor component arranged within a housing, a heat sink being exposed on a first surface of the housing, the heat sink having an area a on the first surface.
  • the method further comprises providing a wiring substrate having a first main surface and a second main surface, a cooling region with increased thermal conductivity being arranged on the second main surface, the cooling region having an area A on the second main surface, where a ⁇ A applies.
  • the method further comprises applying the housing with the power semiconductor component to the wiring substrate by means of an SMD adhesive in the cooling region and applying a solder layer in the cooling region to the wiring substrate.
  • An SMD adhesive is understood to mean an adhesive that is used to fix surface mount devices.
  • Such adhesives which can be, for example, electrically conductive adhesives based on epoxy resin, are known in principle to the person skilled in the art and are therefore not explained in more detail at this point.
  • the SMD adhesive is used to fix the housing with the power semiconductor component during the subsequent soldering of the housing with the power semiconductor component in the assembly region.
  • an additional area of the heat sink which is exposed on a side surface of the housing, is covered with a heat dissipation compound made of thermally conductive material after the housing has been applied to the wiring substrate.
  • the heat dissipation compound can be applied before or after the housing is soldered to the power semiconductor component. It can in particular consist of solder material or a heat-conducting adhesive, for example silver adhesive.
  • Figure 1 shows schematically a power semiconductor component according to an embodiment of the invention in cross section
  • Figure 2 shows schematically the power semiconductor component according to Figure 1 in a plan view
  • Figure 3 shows schematically the wiring substrate for the
  • the power semiconductor component 1 according to FIG. 1 has a power semiconductor component 2, of which only a plastic housing 4 is shown in FIG. 1, connection pins 24 protruding from the plastic housing 4 and a heat sink 6 exposed on a first surface 5 of the housing 4
  • at least one power semiconductor chip for example a MOSFET, which is thermally and possibly also electrically connected to the heat sink 6.
  • the power semiconductor component 2 is contacted via the connection pins 24 and possibly via the heat sink 6.
  • the embodiment shown is a surface-mountable power semiconductor component 2. Alternatively, however, it could also be a push-through-mountable power semiconductor component.
  • the power semiconductor component 1 also has a wiring substrate 10 which, in the embodiment shown, is designed as a PCB substrate and has a first main surface 12 and a second main surface 14 lying opposite this.
  • the wiring substrate 10 essentially has a matrix made of plastic, in which contact connection areas 18 for the connection pins 24, conductor tracks (not shown) and a cooling region 16 made of copper are embedded.
  • the cooling region 16 is exposed on a second main surface 14 of the wiring substrate 10 and is provided for receiving the power semiconductor component 2.
  • a solder layer 20 for the electrical and mechanical connection of the power semiconductor component 2 and the wiring substrate 10 is applied both to the cooling region 16 and to the contact connection surfaces 8.
  • the power semiconductor component 2, in particular the heat sink 6, is electrically and thermally conductive with the cooling region 16 via the solder layer 20 connected.
  • the connection pins 24 are electrically and thermally conductively connected to the contact connection areas 18 via the solder layer 20.
  • a region 8 of the heat sink 6 is also exposed on a side surface 7 of the housing 4 and protrudes beyond the housing 4 in the embodiment shown. This area 8 is covered by a heat dissipation compound 22 made of silver adhesive. Alternatively, solder material or another material with good thermal conductivity could also be used as the heat dissipation compound 22.
  • FIG. 2 shows the power semiconductor component 1 in a plan view.
  • the cooling region 16 and the solder layer 20 have a significantly larger area than the housing 4 or the cooling body 6, which is not visible in FIG. 2.
  • the area A of the cooling region 16 is more than twice as large as large as the area a of the heat sink 6 that is exposed on the first surface 5 of the housing 4.
  • the heat dissipation region 16 and the solder layer 20 arranged thereon protrude laterally considerably beyond the housing 4. In the embodiment shown in FIG. 2, they protrude beyond the housing 4 on all sides.
  • FIG. 3 shows a plan view of the wiring substrate 10 for the power semiconductor component 2 before the housing 4 is applied.
  • a mounting region 28 is defined, which corresponds in shape and size to the first surface 5 of the housing 4 and which is used to accommodate the Housing 4 is provided.
  • the mounting region 28 is delimited by a solder resist web 26.
  • the solder resist web 26 is applied to the surface of the cooling region 16 before the solder layer 20 has been applied.
  • the solder layer 20 is then applied, for example printed on, inside and outside of the solder resist web 26, that is to say both in the assembly region 28 and outside.
  • the solder resist web 26 prevents the housing 4 from becoming blurred on the liquid solder during soldering.
  • the solder resist web 26 is formed continuously. However, it can also be interrupted or formed from numerous solder resist points spaced apart from one another.

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Abstract

Leistungshalbleiterbauteil (1), aufweisend - mindestens ein innerhalb eines Gehäuses (4) angeordnetes Leistungshalbleiterbauelement (2), wobei an einer ersten Oberfläche (5) des Gehäuses (4) ein Kühlkörper (6) mit einer Fläche a freiliegt; - ein Verdrahtungssubstrat (10) mit einer ersten Hauptoberfläche (12) und einer zweiten Hauptoberfläche (14), wobei auf der zweiten Hauptoberfläche (14) eine Entwärmungsregion (16) mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit angeordnet ist, wobei die Entwärmungsregion (16) eine Fläche A auf der zweiten Hauptoberfläche (14) aufweist; wobei a < A gilt und das Gehäuse (4) mit dem Leistungshalbleiterbauelement (2) derart auf der zweiten Hauptoberfläche (14) des Verdrahtungssubstrats (10) angeordnet ist, dass der Kühlkörper (6) vollständig auf der Entwärmungsregion (16) angeordnet und mit dieser über eine Lotschicht (20) verbunden ist.

Description

Beschreibung
Leistungshalbleiterbauteil sowie Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbauteils
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiterbauteil mit einem innerhalb eines Gehäuses angeordneten Leistungshalbleiterbauelement sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbauteils.
Leistungshalbleiterbauelemente wie zum Beispiel MOSFETs werden in Gehäusen, typischerweise Kunststoffgehäusen, mit an der Gehäuseaußenseite freiliegenden Kühlflächen, beispielsweise aus Kupfer, angeordnet, wobei es eine Reihe unterschiedlicher Gehäusebauformen gibt, wie beispielsweise D2PAK, DPAK, TO220 etc. Die Bauelemente sind teilweise als oberflächenmontierbare Bauelemente ausgebildet und teilweise als durchsteckmontierbare Bauelemente. Sie weisen typischerweise zumindest zwei Anschlusspins auf, die aus dem Kunststoffgehäuse herausgeführt sind und mit Anschlüssen eines Verdrahtungssubstrats verbindbar sind.
Da Leistungshalbleiterbauteile, die derartige Leistungshalbleiterbauelemente aufweisen, im Betrieb hohe Wärmemengen abgeben, stellt das effiziente Abführen dieser Wärme eine besondere Herausforderung dar. Typischerweise wird die Wärme über das Verdrahtungssubstrat abgeführt, auf dem das gehäuste Leistungshalbleiterbauelement angeordnet ist. Dieses kann dazu beispielsweise thermische Bohrungen (Vias) aufweisen.
Bei manchen neueren Anwendungen, beispielsweise bei in Elektrofahrzeugen eingesetzten Ladegeräten, fallen sehr hohe Verlustleistungen an, sodass der Kühlung besondere Bedeutung zukommt. Teilweise ist bei derartigen Anwendungen der Einsatz thermischer Bohrungen aufgrund elektrischer Isolationsverordnungen auch nicht möglich. Ein derartiges Bauteil ist beispielsweise aus der JP 2018-120 991 A bekannt. Die JP 2014-229 804 A offenbart ein Leistungshalbleitermodul, bei dem ein Leistungshalbleiterbauelement mit seinem Kühlkörper auf einer Metallisierung des Verdrahtungssubstrats aufgelötet ist. Ein aus Metall ausgebildetes Gehäuseteil kontaktiert über eine Schicht aus wärmeleitendem Material die Metallisierung, so dass Wärme an das Gehäuse abgeführt werden kann.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Leistungshalbleiterbauteil anzugeben, das eine besonders wirksame Abfuhr von durch das Leistungshalbleiterbauelement abgegebener Wärme aufweist. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Leistungshalbleiterbauteils angegeben werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Leistungshalbleiterbauteil angegeben, das mindestens ein innerhalb eines Gehäuses angeordnetes Leistungshalbleiterbauelement aufweist, wobei an einer ersten Oberfläche des Gehäuses ein Kühlkörper mit einer Fläche a freiliegt. Bei dem Gehäuse handelt es sich insbesondere um ein Kunststoffgehäuse. Der Kühlkörper ist insbesondere aus Metall ausgebildet. Das Gehäuse kann beispielsweise im Wesentlichen eine Quaderform aufweisen.
Das Leistungshalbleiterbauteil weist ferner ein Verdrahtungssubstrat mit einer ersten Hauptoberfläche und einer zweiten Hauptoberfläche auf, wobei auf der zweiten Hauptoberfläche eine Entwärmungsregion mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit angeordnet ist, wobei die Entwärmungsregion eine Fläche A auf der zweiten Hauptoberfläche aufweist. Bei dem Verdrahtungssubstrat kann es sich insbesondere um eine Leiterplatte, beispielsweise um ein PCB-Substrat, d.h. um eine gedruckte Leiterplatte, handeln. Die Entwärmungsregion kann insbesondere aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet sein. Beispielsweise ist die Entwärmungsregion von einem Teilstück einer Kupfer-Lage der Leiterplatte gebildet, beispielsweise von einer an einer Hauptfläche der Leiterplatte angeordneten Kupferfläche der Kupfer-Lage.
Die Fläche a des Kühlkörpers ist kleiner als die Fläche A der Entwärmungsregion. Insbesondere gilt a < 0,75 A, insbesondere a < 0,5, d.h. A kann mehr als doppelt so groß wie a sein.
Das Gehäuse mit dem Halbleiterbauelement ist derart auf der zweiten Hauptoberfläche des Verdrahtungssubstrats angeordnet, dass der Kühlkörper vollständig auf der Entwärmungsregion angeordnet und mit dieser über eine Lotschicht verbunden ist. Die Lotschicht ist bei einer vorteilhaften Ausgestaltung mit Vorteil in der Entwärmungsregion sowohl innerhalb einer in Form und Ausdehnung der ersten Oberfläche des aufzubringenden Gehäuses entsprechenden Montageregion als auch außerhalb angeordnet.
Demnach ragt die Entwärmungsregion auf dem Verdrahtungssubstrat seitlich über die Fläche des Kühlkörpers hinaus. Die Entwärmungsregion ist demnach größer als dies zum Aufbringen des Gehäuses mit dem Leistungshalbleiterbauelement und zur elektrischen und thermischen Anbindung notwendig wäre.
Das Leistungshalbleiterbauteil hat den Vorteil, dass durch die vergrößerte Entwärmungsregion die Masse an gut wärmeleitendem Material, insbesondere Kupfer, auf dem Verdrahtungssubstrat stark erhöht ist. Sie kann insbesondere mehr als verdoppelt werden. Auf diese Weise wird die Wärme nicht nur wirksam aus dem Leistungshalbleiterbauelement abgeführt, sondern es findet auch eine effektive Wärmespreizung statt, indem Wärme seitlich in alle Teile der Entwärmungsregion abgeführt und dort an die Umgebung abgegeben werden kann. Auf diese Weise erfolgt die Entwärmung des Leistungshalbleiterbauelements besonders wirksam.
Zusätzlich zur größeren Fläche kann auch die Dicke der Entwärmungsregion vergrößert werden. Typischerweise steht bei der Standardleiterplattentechnologie pro Lage maximal 70 Mikrometer Kupfer zur Verfügung, teilweise auch bis zu 105 Mikrometer oder bis zu 201 Mikrometer. Diese maximale Dicke kann für die Entwärmungsregion voll ausgeschöpft werden, um die wärmeleitende Masse zu maximieren.
Darüber hinaus stellt die große Menge gut wärmeleitfähigen Materials der Entwärmungsregion einen Puffer dar, um kurzzeitige Leistungsspitzen des Leistungshalbleiterbauelements, die einen kurzzeitigen Temperaturanstieg bewirken, abzufangen.
Gemäß einer Ausführungsform ist das die Entwärmungsregion bildende Material, insbesondere Kupfer oder eine Kupferlegierung, in einer Matrix aus Kunststoffmaterial eingebettet und die Oberfläche der Entwärmungsregion dabei vorzugsweise koplanar zur übrigen Oberfläche des Verdrahtungssubstrats. Alternativ könnte die Entwärmungsregion auch auf einer Oberfläche des Verdrahtungssubstrats aufliegen.
Gemäß einer Ausführungsform liegt ein zusätzlicher Bereich des Kühlkörpers an einer Seitenfläche des Gehäuses frei und ist mit einer Entwärmungsmasse aus wärmeleitendem Material bedeckt.
Unter einer Seitenfläche des Gehäuses wird hier im Folgenden eine Außenfläche des Gehäuses verstanden, die senkrecht zu der ersten Oberfläche angeordnet ist. Eine derartige Seitenfläche ist im montierten Zustand nicht direkt mit dem Verdrahtungssubstrat in Kontakt. Durch das Aufbringen der zusätzlichen Entwärmungsmasse auf den zusätzlich freiliegenden Bereich des Kühlkörpers wird die Entwärmung noch weiter verbessert.
Häufig liegt der Kühlkörper nicht nur an einer Seitenfläche frei, sondern er ragt sogar aus dem Gehäuse heraus und steht somit von der Seitenfläche vor. In diesem Fall kann der gesamte hervorragende Bereich mit der Entwärmungsmasse bedeckt sein.
Das die Entwärmungsmasse bildende Material kann insbesondere Lot oder Silberleitklebstoff sein. Bei diesen Materialien handelt es sich um in der Halbleitertechnologie ohnehin verfügbare Materialien, die einfach zu handhaben sind, sich gut als Entwärmungsmasse aufbringen lassen und eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung des beschriebenen Leistungshalbleiterbauteils angegeben, wobei das Verfahren das Bereitstellen mindestens eines innerhalb eines Gehäuses angeordneten Leistungshalbleiterbauelements aufweist, wobei an einer ersten Oberfläche des Gehäuses ein Kühlkörper freiliegt, wobei der Kühlkörper eine Fläche a auf der ersten Oberfläche aufweist.
Ferner umfasst das Verfahren das Bereitstellen eines Verdrahtungssubstrats mit einer ersten Hauptoberfläche und einer zweiten Hauptoberfläche, wobei auf der zweiten Hauptoberfläche eine Entwärmungsregion mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit angeordnet ist, wobei die Entwärmungsregion eine Fläche A auf der zweiten Hauptoberfläche aufweist, wobei a < A gilt.
Das Verfahren umfasst ferner das Aufbringen von Lötstopplack in der Entwärmungsregion auf das Verdrahtungssubstrat, wobei der Lötstopplack eine Montageregion zur Aufnahme des Gehäuses mit dem
Leistungshalbleiterbauelement begrenzt. Die Montageregion entspricht dabei in Form und Ausdehnung der ersten Oberfläche des aufzubringenden Gehäuses.
Anschließend erfolgt das Aufbringen einer Lotschicht auf die Entwärmungsregion und das Auflöten des Gehäuses mit dem Leistungshalbleiterbauelement in der Montageregion. Die Lotschicht ist dabei zur Erhöhung der Menge gut wärmeleitfähigen Materials sowohl innerhalb als auch außerhalb der Montageregion und somit beiderseits der Begrenzung aus Lötstopplack aufgebracht, wobei Lot außerhalb der Montageregion lediglich der Wärmeabfuhr und Wärmespreizung dient, nicht der Fixierung des Gehäuses. Weitere Bereiche aus Lötstopplack können in der Entwärmungsregion oder außerhalb dieser auf dem Verdrahtungssubstrat vorgesehen sein, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Die Lotschicht kann insbesondere auf die Entwärmungsregion aufgedruckt sein.
Die Lötstopplackschicht hat die Aufgabe, ein Verschwimmen des Gehäuses mit dem Leistungshalbleiterbauelement während des Auflötens zu verhindern. Die Lötstopplackschicht fixiert demnach das Gehäuse während des Auflötens.
Die Lotschicht weist im Wesentlichen dieselbe Ausdehnung auf wie die Entwärmungsregion. Sie kann etwas kleiner sein, um ein Verlaufen von Lot in Bereiche außerhalb der Entwärmungsregion zu verhindern. Die Lotschicht weist demnach aber eine Fläche B auf, die deutlich größer als a und annähernd so groß wie A ist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist ein Verfahren zur Herstellung des beschriebenen Leistungshalbleiterbauelements das Bereitstellen mindestens eines innerhalb eines Gehäuses angeordneten Leistungshalbleiterbauelements auf, wobei an einer ersten Oberfläche des Gehäuses ein Kühlkörper freiliegt, wobei der Kühlkörper eine Fläche a auf der ersten Oberfläche aufweist. Ferner umfasst das Verfahren das Bereitstellen eines Verdrahtungssubstrats mit einer ersten Hauptoberfläche und einer zweiten Hauptoberfläche, wobei auf der zweiten Hauptoberfläche eine Entwärmungsregion mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit angeordnet ist, wobei die Entwärmungsregion eine Fläche A auf der zweiten Hauptoberfläche aufweist, wobei a < A gilt.
Ferner umfasst das Verfahren das Aufbringen des Gehäuses mit dem Leistungshalbleiterbauelement mittels eines SMD-Klebstoffs in der Entwärmungsregion auf das Verdrahtungssubstrat und das Aufbringen einer Lotschicht in der Entwärmungsregion auf das Verdrahtungssubstrat. Unter einem SMD-Klebstoff wird dabei ein Klebstoff verstanden, der zur Fixierung oberflächenmontierbarer Bauteile (surface mount devices) verwendet wird. Solche Klebstoffe, bei denen es sich beispielsweise um elektrisch leitfähige Klebstoffe auf Epoxidharzbasis handeln kann, sind dem Fachmann prinzipiell bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Dabei dient der SMD-Klebstoff zur Fixierung des Gehäuses mit dem Leistungshalbleiterbauelement während des anschließenden Auflötens des Gehäuses mit dem Leistungshalbleiterbauelement in der Montageregion.
Gemäß einer Ausführungsform wird nach dem Auflöten des Gehäuses mit dem Leistungshalbleiterbauelement ein zusätzlicher Bereich des Kühlkörpers, der an einer Seitenfläche des Gehäuses freiliegt, nach dem Aufbringen des Gehäuses auf das Verdrahtungssubstrat mit einer Entwärmungsmasse aus wärmeleitendem Material bedeckt.
Die Entwärmungsmasse kann dabei vor oder nach dem Auflöten des Gehäuses mit dem Leistungshalbleiterbauelement aufgebracht werden. Sie kann insbesondere aus Lotmaterial oder wärmeleitendem Klebstoff, beispielsweise Silberkleber, bestehen.
Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielhaft beschrieben.
Figur 1 zeigt schematisch ein Leistungshalbleiterbauteil gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt;
Figur 2 zeigt schematisch das Leistungshalbleiterbauteil gemäß Figur 1 in einer Draufsicht und
Figur 3 zeigt schematisch das Verdrahtungssubstrat für das
Leistungshalbleiterbauteil gemäß den Figuren 1 und 2 vor dem Aufbringen eines Gehäuses mit einem Leistungshalbleiterbauelement.
Das Leistungshalbleiterbauteil 1 gemäß Figur 1 weist ein Leistungshalbleiterbauelement 2 auf, von dem in Figur 1 lediglich ein Kunststoffgehäuse 4 gezeigt ist sowie aus dem Kunststoffgehäuse 4 herausragende Anschlusspins 24 sowie ein an einer ersten Oberfläche 5 des Gehäuses 4 freiliegender Kühlkörper 6. Das Leistungshalbleiterbauelement 2 weist darüber hinaus mindestens einen Leistungshalbleiterchip auf, beispielsweise einen MOSFET, der mit dem Kühlkörper 6 thermisch und gegebenenfalls auch elektrisch verbunden ist. Über die Anschlusspins 24 und gegebenenfalls über den Kühlkörper 6 wird das Leistungshalbleiterbauelement 2 kontaktiert.
Bei der gezeigten Ausführungsform handelt es sich um ein oberflächenmontierbares Leistungshalbleiterbauelement 2. Alternativ könnte es sich jedoch auch um ein durchsteckmontierbares Leistungshalbleiterbauelement handeln.
Das Leistungshalbleiterbauteil 1 weist ferner ein Verdrahtungssubstrat 10 auf, das in der gezeigten Ausführungsform als PCB-Substrat ausgebildet ist und eine erste Hauptoberfläche 12 und eine dieser gegenüber liegende zweite Hauptoberfläche 14 aufweist. Das Verdrahtungssubstrat 10 weist im Wesentlichen eine Matrix aus Kunststoff auf, in die Kontaktanschlussflächen 18 für die Anschlusspins 24, nicht dargestellte Leiterbahnen sowie eine Entwärmungsregion 16 aus Kupfer eingebettet sind. Die Entwärmungsregion 16 liegt an einer zweiten Hauptoberfläche 14 des Verdrahtungssubstrats 10 frei und ist zur Aufnahme des Leistungshalbleiterbauelements 2 vorgesehen.
Sowohl auf der Entwärmungsregion 16 als auch auf den Kontaktanschlussflächen 8 ist eine Lotschicht 20 zur elektrischen und mechanischen Verbindung von Leistungshalbleiterbauelement 2 und Verdrahtungssubstrat 10 aufgebracht. Das Leistungshalbleiterbauelement 2, insbesondere der Kühlkörper 6, ist mit der Entwärmungsregion 16 über die Lotschicht 20 elektrisch und thermisch leitend verbunden. Die Anschlusspins 24 sind mit den Kontaktanschlussflächen 18 über die Lotschicht 20 elektrisch und thermisch leitend verbunden.
An einer Seitenfläche 7 des Gehäuses 4 liegt ebenfalls ein Bereich 8 des Kühlkörpers 6 frei und ragt in der gezeigten Ausführungsform über das Gehäuse 4 hinaus. Dieser Bereich 8 ist von einer Entwärmungsmasse 22 aus Silberkleber bedeckt. Alternativ könnte auch Lotmaterial oder ein anderes gut wärmeleitendes Material als Entwärmungsmasse 22 eingesetzt werden.
Figur 2 zeigt das Leistungshalbleiterbauteil 1 in einer Draufsicht. In dieser Ansicht ist erkennbar, dass die Entwärmungsregion 16 und die Lotschicht 20 eine deutlich größere flächige Ausdehnung aufweisen als das Gehäuse 4 bzw. der in Figur 2 nicht sichtbare Kühlkörper 6. In der gezeigten Ausführungsform ist die Fläche A der Entwärmungsregion 16 mehr als doppelt so groß wie die an der ersten Oberfläche 5 des Gehäuses 4 freiliegende Fläche a des Kühlkörpers 6.
Wie in Figur 2 erkennbar ist, ragen somit die Entwärmungsregion 16 sowie die darauf angeordnete Lotschicht 20 seitlich erheblich über das Gehäuse 4 hinaus. In der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform ragen sie an allen Seiten über das Gehäuse 4 hinaus.
Das Kupfermaterial der Entwärmungsregion 16 sowie auch das Lotmaterial der Lotschicht 20 bilden zusammen mit der Entwärmungsmasse 22, die seitlich ebenfalls über den Bereich 8 des Kühlkörpers 6 hinausragt, eine erhöhte thermische Masse, die sowohl kurzzeitige Temperaturerhöhungen durch Leistungsspitzen abpuffern kann als auch wegen ihrer großen räumlichen Ausdehnung eine gute Wärmespreizung erzielen kann.
Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf das Verdrahtungssubstrat 10 für das Leistungshalbleiterbauteil 2 vor dem Aufbringen des Gehäuses 4. Auf der Oberfläche der Entwärmungsregion 16 ist eine Montageregion 28 definiert, die in Form und Ausdehnung der ersten Oberfläche 5 des Gehäuses 4 entspricht und die zur Aufnahme des Gehäuses 4 vorgesehen ist. Die Montageregion 28 wird in der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform durch einen Lötstopplacksteg 26 begrenzt. Der Lötstopplacksteg 26 ist auf die Oberfläche der Entwärmungsregion 16 aufgetragen, bevor die Lotschicht 20 aufgebracht wurde. Anschließend wird innerhalb und außerhalb des Lötstopplackstegs 26, also sowohl in der Montageregion 28 als auch außerhalb, die Lotschicht 20 aufgebracht, beispielsweise aufgedruckt. Der Lötstopplacksteg 26 verhindert das Verschwimmen des Gehäuses 4 auf dem flüssigen Lot während des Auflötens. In der gezeigten Ausführungsform ist der Lötstopplacksteg 26 durchgehend ausgebildet. Er kann jedoch auch unterbrochen oder aus zahlreichen, voneinander beabstandeten Lötstopplackpunkten ausgebildet sein.

Claims

Patentansprüche
1. Leistungshalbleiterbauteil (1), aufweisend
- mindestens ein innerhalb eines Gehäuses (4) angeordnetes Leistungshalbleiterbauelement (2), wobei an einer ersten Oberfläche (5) des Gehäuses (4) ein Kühlkörper (6) mit einer Fläche a freiliegt;
- ein Verdrahtungssubstrat (10) mit einer ersten Hauptoberfläche (12) und einer zweiten Hauptoberfläche (14), wobei auf der zweiten Hauptoberfläche (14) eine Entwärmungsregion (16) mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit angeordnet ist, wobei die Entwärmungsregion (16) eine Fläche A auf der zweiten Hauptoberfläche (14) aufweist; wobei a < A gilt und das Gehäuse (4) mit dem Leistungshalbleiterbauelement (2) derart auf der zweiten Hauptoberfläche (14) des Verdrahtungssubstrats (10) angeordnet ist, dass der Kühlkörper (6) vollständig auf der Entwärmungsregion (16) angeordnet und mit dieser über eine Lotschicht (20) verbunden ist.
2. Leistungshableiterbauteil (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die Lotschicht (20) in der Entwärmungsregion (16) sowohl innerhalb einer in Form und Ausdehnung der ersten Oberfläche des aufzubringenden Gehäuses (4) entsprechenden Montageregion (28) als auch außerhalb angeordnet ist
3. Leistungshableiterbauteil (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Entwärmungsregion (16) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet ist.
4. Leistungshableiterbauteil (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das die Entwärmungsregion (16) bildende Material in einer Matrix aus Kunststoffmaterial eingebettet ist.
5. Leistungshableiterbauteil (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine Leiterplattenanordnung ist, wobei es sich bei dem Verdrahtungssubstrat (10) um eine gedruckte Leiterplatte handelt und die Entwärmungsregion (16) von einem Teilstück einer Kupfer-Lage der Leiterplatte gebildet ist.
6. Leistungshableiterbauteil (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein zusätzlicher Bereich (8) des Kühlkörpers (6) an einer Seitenfläche (7) des Gehäuses (4) freiliegt und mit einer Entwärmungsmasse (16) aus wärmeleitendem Material bedeckt ist.
7. Leistungshableiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das die Entwärmungsmasse (16) bildende Material Lot ist.
8. Leistungshableiterbauteil (1 ) nach Anspruch 6, wobei das die Entwärmungsmasse (16) bildende Material Silberleitklebstoff ist.
9. Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbauteils (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das folgende Schritte aufweist:
- Bereitstellen mindestens eines innerhalb eines Gehäuses (4) angeordneten Leistungshalbleiterbauelements (2), wobei an einer ersten Oberfläche (5) des Gehäuses (4) ein Kühlkörper (6) freiliegt, wobei der Kühlkörper (6) eine Fläche a auf der ersten Oberfläche (5) aufweist;
- Bereitstellen eines Verdrahtungssubstrats (10) mit einer ersten Hauptoberfläche (12) und einer zweiten Hauptoberfläche (14), wobei auf der zweiten Hauptoberfläche (14) eine Entwärmungsregion (16) mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit angeordnet ist, wobei die Entwärmungsregion (16) eine Fläche A auf der zweiten Hauptoberfläche (14) aufweist, wobei a < A gilt, und wobei in der Entwärmungsregion (16) Lötstopplack aufgebracht ist, der eine Montageregion zur Aufnahme des Gehäuses (4) mit dem Leistungshalbleiterbauelement (2) begrenzt;
- Aufbringen einer Lotschicht (20) in der Entwärmungsregion (16) auf das Verdrahtungssubstrat (10), - Auflöten des Gehäuses (4) mit dem Leistungshalbleiterbauelement (2) in der Montageregion.
10. Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbauteils (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, das folgende Schritte aufweist:
- Bereitstellen mindestens eines innerhalb eines Gehäuses (4) angeordnetes Leistungshalbleiterbauelements (2), wobei an einer ersten Oberfläche (5) des Gehäuses (4) ein Kühlkörper (6) freiliegt, wobei der Kühlkörper (6) eine Fläche a auf der ersten Oberfläche (5) aufweist;
- Bereitstellen eines Verdrahtungssubstrats (10) mit einer ersten Hauptoberfläche (12) und einer zweiten Hauptoberfläche (14), wobei auf der zweiten Hauptoberfläche (14) eine Entwärmungsregion (16) mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit angeordnet ist, wobei die Entwärmungsregion (16) eine Fläche A auf der zweiten Hauptoberfläche (14) aufweist, wobei a < A gilt;
- Aufbringen des Gehäuses (4) mit dem Leistungshalbleiterbauelement (2) mittels eines SMD-Klebstoffs in der Entwärmungsregion (16) auf das Verdrahtungssubstrat (10) und Aufbringen einer Lotschicht (20) in der Entwärmungsregion (16) auf das Verdrahtungssubstrat (10);
- Auflöten des Gehäuses (4) mit dem Leistungshalbleiterbauelement (2) in einer Montageregion.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei nach dem Aufbringen des Gehäuses (4) mit dem Leistungshalbleiterbauelement (2) ein zusätzlicher Bereich (8) des Kühlkörpers (6), der an einer Seitenfläche (7) des Gehäuses (4) freiliegt, mit einer Entwärmungsmasse (22) aus wärmeleitendem Material bedeckt wird.
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