WO2022073884A1 - Halbleiterbaugruppe und verfahren zur herstellung einer halbleiterbaugruppe - Google Patents

Halbleiterbaugruppe und verfahren zur herstellung einer halbleiterbaugruppe Download PDF

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    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/40—Mountings or securing means for detachable cooling or heating arrangements ; fixed by friction, plugs or springs

Definitions

  • heat sinks made of a material with good thermal conductivity, for example copper or aluminum, are provided for this purpose and are arranged on the rear side of the circuit carrier. In some cases, however, such heat sinks are no longer sufficient as heat sinks, especially since the heat path through the circuit carrier has a relatively high heat conduction resistance.
  • the use of the spring element has the additional advantage that the spring effect has a tolerance-compensating effect.
  • IMS insulated metal substrate
  • the electrical connection thus produced between their respective inserts can be problematic, for example if they are at different potentials.
  • the connection between the inserts and the spring element is made by means of an electrically insulating material.
  • This material can in particular be an adhesive film or an adhesive applied in some other form.
  • a plurality of semiconductor components are arranged on the first main surface of the circuit carrier and are connected to a common heat sink via the same spring element.
  • Such a design of the spring element has the advantage that defined contact surfaces are made available for connection to the insert and for contacting the heat sink, and good heat transfer is made possible.
  • the thermally conductive spring element is connected to the thermally conductive insert by means of a welded or bonded connection.
  • a heat-conducting insert 21 in the form of a heat slug is exposed in each case on the first main surface 11 of the semiconductor components 9 .
  • the insert 21 is thus not covered by the plastic housing compound 17 but forms a significant area of the first main surface 11 .
  • the semiconductor components 9 are cooled via a heat sink 23 in the form of an extended metal plate.
  • the heat sink 23 is connected to the thermally conductive inserts 21 of the semiconductor components 9 via a thermally conductive spring element 25 .
  • the heat sink 23 is then placed on the second section 31 . Due to the spring property of the spring element 25, a tolerance compensation can take place when the heat sink 23 is placed by changing the level difference a.

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Abstract

Halbleiterbaugruppe (1), aufweisend - zumindest einen Schaltungsträger (3) mit einer ersten Hauptoberfläche (5); - zumindest ein auf der ersten Hauptoberfläche (5) des Schaltungsträgers (3) angeordnetes Halbleiterbauteil (9), wobei eine zweite Hauptoberfläche (13) des Halbleiterbauteils (9) der ersten Hauptoberfläche (5) des Schaltungsträgers (3) zugewandt ist und an einer der zweiten Hauptoberfläche (13) gegenüberliegenden ersten Hauptoberfläche (11) des Halbleiterbauteils (9) ein wärmeleitender Einsatz (21) freiliegt; - einen mit dem wärmeleitenden Einsatz (21) verbundenen Kühlkörper (23), wobei der Kühlkörper (23) mit dem wärmeleitenden Einsatz (21) über zumindest ein mit dem Einsatz (21) stoffschlüssig verbundenes, wärmeleitendes Federelement (25) verbunden ist, wobei zwischen dem zumindest einen Federelement (25) und dem Kühlkörper (23) ein elektrisch isolierendes Material (27) angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Halbleiterbaugruppe und Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterbaugruppe
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterbaugruppe sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterbaugruppe, wobei die Halbleiterbaugruppe zumindest ein auf einem Schaltungsträger angeordnetes Halbleiterbauteil aufweist.
Insbesondere bei Leistungshalbleiterbauteilen ist eine wirksame Abfuhr der im Betrieb entstehenden Verlustwärme wichtig. Dafür sind bekanntermaßen Kühlkörper aus einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, vorgesehen, die auf der Rückseite des Schaltungsträgers angeordnet werden. Teilweise sind derartige Kühlkörper als Wärmesenken jedoch nicht mehr ausreichend, zumal der Wärmepfad durch den Schaltungsträger einen verhältnismäßig großen Wärmeleitungswiderstand aufweist.
Es ist auch bekannt, den Wärmeübergang zwischen Schaltungsträger und Kühlkörper beispielsweise durch ein thermisches Interface Material zu optimieren.
Der thermische Widerstand einer Schicht ist gegeben durch R = I / (X A), wobei I die Schichtdicke, X die Wärmeleitfähigkeit und A die Fläche ist, durch die die Wärme abgeführt werden muss.
Um den thermischen Widerstand zu senken, kann also insbesondere die Fläche A vergrößert und/oder die Schichtdicke I verringert werden. Die Geometrie und Art des Schaltungsträgers sind jedoch üblicherweise durch die Funktion der Elektronik vorgegeben und typischerweise bereits optimiert.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiterbaugruppe und ein Verfahren zur Herstellung anzugeben, die eine besonders gute Wärmeabfuhr ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Halbleiterbaugruppe angegeben, aufweisend zumindest einen Schaltungsträger mit einer ersten Hauptoberfläche sowie zumindest ein auf der ersten Hauptoberfläche des Schaltungsträgers angeordnetes Halbleiterbauteil, wobei eine zweite Hauptoberfläche des Halbleiterbauteils der ersten Hauptoberfläche des Schaltungsträgers zugewandt ist und an einer der zweiten Hauptoberfläche gegenüberliegenden ersten Hauptoberfläche des Halbleiterbauteils ein wärmeleitender Einsatz freiliegt. Die Halbleiterbaugruppe weist ferner einen mit dem wärmeleitenden Einsatz verbundenen Kühlkörper auf, wobei der Kühlkörper mit dem wärmeleitenden Einsatz über zumindest ein mit dem Einsatz stoffschlüssig verbundenes, wärmeleitendes Federelement verbunden ist. Zudem ist zwischen dem zumindest einen Federelement und dem Kühlkörper ein elektrisch isolierendes Material, beispielsweise in Form einer Isolationsfolie, angeordnet.
Bei dem wärmeleitenden Einsatz des Halbleiterbauteils handelt es sich um ein als „heat slug“ bezeichnetes Element, das typischerweise mit dem zumindest einen Halbleiterchip des Halbleiterbauteils in thermischem Kontakt steht und zusammen mit diesem in eine Kunststoffgehäusemasse eingebettet ist, wobei zumindest eine Seite des Einsatzes an einer Oberfläche des Halbleiterbauteils freiliegt. Ein derartiger Einsatz oder „heat slug“ ist beispielsweise aus Kupfer oder einem anderen Metall wie Aluminium ausgebildet.
Somit wird unter einem wärmeleitenden Einsatz hier und im Folgenden ein Einsatz aus einem gut wärmeleitenden Material verstanden, insbesondere aus einem Material mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als die umgebende Kunststoffgehäusemasse, insbesondere aus Metall. Dabei kann der Einsatz derart in die Kunststoffgehäusemasse eingebettet sein, dass seine freiliegende Oberseite koplanar ist mit der Hauptoberfläche des Halbleiterbauteils.
Die Halbleiterbaugruppe hat den Vorteil, dass über den Kühlkörper Wärme besonders wirksam abgeführt werden kann. Der Kühlkörper muss insbesondere in seiner Dimensionierung nicht der des Halbleiterbauteils oder Schaltungsträgers entsprechen und kann teilweise von einem Kühlmedium umströmt werden.
Der thermische Kontakt zwischen Halbleiterbauteil und Kühlkörper kann durch das wärmeleitende Federelement besonders wirksam hergestellt werden. Durch die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem wärmeleitenden Einsatz und dem Federelement wird ein sehr guter Wärmeübergang sichergestellt. Gleichzeitig wird jedoch auch ein definierter elektrischer und/oder mechanischer Kontakt zu dem Halbleiterbauteil und damit auch zu dem Schaltungsträger hergestellt. Durch das elektrisch isolierende Material zwischen dem zumindest einen Federelement und dem Kühlkörper ist der Kühlkörper zudem elektrisch isoliert. Das ist besonders von Vorteil, wenn der Kühlkörper nicht als elektrischer Kontakt dienen soll.
Die Verwendung des Federelements hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Federwirkung toleranzausgleichend wirkt. Insbesondere beim Einsatz so genannter IMS (insulated metal substratej-Substrate als Schaltungsträger ist ein derartiger Toleranzausgleich aufgrund höherer Toleranzketten vorteilhaft.
Unter einem Federelement wird hier und im Folgenden ein mechanisches Bauteil verstanden, das zumindest in einer Richtung elastisch verformbar ist. Das Federelement ist insbesondere aus Metall ausgebildet, um eine hohe Wärmeleitfähigkeit und gegebenenfalls eine Schweißbarkeit oder Bondbarkeit sicherzustellen.
Die stoffschlüssige Verbindung kann insbesondere als Schweißverbindung oder Bondverbindung ausgebildet sein. Eine derartige Verbindung weist eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit auf und erlaubt eine elektrische Kontaktierung.
Werden mehrere Halbleiterbauteile durch dasselbe Federelement kontaktiert, kann jedoch die dadurch zwischen ihren jeweiligen Einsätzen hergestellte elektrische Verbindung problematisch sein, beispielsweise, wenn diese auf unterschiedlichen Potentialen liegen. In einem solchen Fall kann es vorgesehen sein, dass die Verbindung zwischen den Einsätzen und dem Federelement mittels eines elektrisch isolierenden Materials erfolgt. Bei diesem Material kann es sich insbesondere um eine Klebefolie oder einen in anderer Form aufgebrachten Klebstoff handeln. Gemäß einer Ausführungsform sind auf der ersten Hauptoberfläche des Schaltungsträgers mehrere Halbleiterbauteile angeordnet und mit einem gemeinsamen Kühlkörper über dasselbe Federelement verbunden.
Dies hat den Vorteil, dass bei Baugruppen mit mehreren Halbleiterbauteilen derselbe Kühlkörper zur Wärmeabfuhr genutzt werden kann und das Aufbringen des Federelements durch die Verwendung lediglich eines einzigen Federelements besonders einfach und effizient ist. Gemäß einer Ausführungsform weist das Federelement zumindest einen ersten Abschnitt zur Kontaktierung des Einsatzes und zumindest einen zweiten Abschnitt zur Kontaktierung des Kühlkörpers auf. Der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt sind parallel verlaufend und stufenförmig um einen Niveauunterschied a versetzt zueinander angeordnet und miteinander durch einen Verbindungsabschnitt verbunden, der den Niveauunterschied a überbrückt und derart elastisch federnd ausgebildet ist, dass er eine Veränderung des Niveauunterschieds a zwischen den Abschnitten erlaubt.
Insbesondere können der erste und der zweite Abschnitt flächig ausgebildet sein und in zwei Dimensionen eine Ausdehnung aufweisen, die beispielsweise in der Größenordnung der Ausdehnung des Einsatzes liegt. Insbesondere kann die Ausdehnung des zumindest einen ersten Abschnitts mindestens 10%, insbesondere mindestens 20% der Ausdehnung des Einsatzes betragen, um einen guten Wärmeübergang zu ermöglichen.
Eine solche Ausbildung des Federelements hat den Vorteil, dass definierte Kontaktflächen zur Verbindung mit dem Einsatz und zur Kontaktierung des Kühlkörpers zur Verfügung gestellt werden sowie ein guter Wärmeübergang ermöglicht wird.
Der Schaltungsträger kann insbesondere als IMS-Substrat ausgebildet sein. Ein derartiges Substrat umfasst typischerweise eine massive metallische Lage, beispielsweise aus Aluminium, Kupfer oder Edelstahl, eine darauf angeordnete dielektrische Lage (beispielsweise Prepreg oder ein thermisch leitendes Harzsystem) sowie auf dem Dielektrikum aufgebrachte Leiterbahnstrukturen aus Kupfer. Ein derartiges Substrat erlaubt eine besonders gute Wärmespreizung und -abfuhr.
Gemäß einer Ausführungsform ist auf der zweiten Hauptoberfläche des Schaltungsträgers ebenfalls ein Kühlkörper angeordnet. Auf diese Weise wird eine Entwärmung der Halbleiterbaugruppe in beide Richtungen ermöglicht.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterbauteilgruppe angegeben, aufweisend - das Bereitstellen eines Schaltungsträgers mit einer ersten Hauptoberfläche, wobei auf der ersten Hauptoberfläche des Schaltungsträgers zumindest ein Halbleiterbauteil angeordnet ist, wobei eine zweite Hauptoberfläche des Halbleiterbauteils der ersten Hauptoberfläche des Schaltungsträgers zugewandt ist und an einer der zweiten Hauptoberfläche gegenüberliegenden ersten Hauptoberfläche des Halbleiterbauteils ein wärmeleitender Einsatz freiliegt;
- das Bereitstellen eines mit dem wärmeleitenden Einsatz verbundenen Kühlkörpers,
- das Bereitstellen eines wärmeleitenden Federelements;
- das stoffschlüssige Verbinden des wärmeleitenden Federelements mit dem wärmeleitenden Einsatz sowie
- das Aufsetzen eines Kühlkörpers auf eine Kontaktfläche des Federelements, wobei zwischen dem zumindest einen Federelement und dem Kühlkörper ein elektrisch isolierendes Material, insbesondere in Form einer Isolationsfolie, angeordnet wird.
Das Verbinden des wärmeleitenden Federelements mit dem wärmeleitenden Einsatz erfolgt gemäß einer Ausführungsform mittels einer Schweiß- oder Bondverbindung.
Alternativ kann das Verbinden des wärmeleitenden Federelements mit dem wärmeleitenden Einsatz auch mittels eines elektrisch isolierenden Materials erfolgen.
Das Verfahren weist die im Zusammenhang mit der Halbleiterbaugruppe beschriebenen Vorteile auf.
Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielhaft beschrieben.
Figur 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Halbleiterbaugruppe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
Figur 2 zeigt eine Schnittdarstellung einer Halbleiterbaugruppe gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 1 zeigt eine Halbleiterbaugruppe 1 , die mehrere auf einem Schaltungsträger 3 angeordnete Halbleiterbauteile 9 aufweist. Der Schaltungsträger 3 weist eine erste Hauptoberfläche 5 und eine dieser gegenüberliegende zweite Hauptoberfläche 7 auf. Auf der ersten Hauptoberfläche 5 sind in der gezeigten Ausführungsform zwei Halbleiterbauteile 9 angeordnet. Die Halbleiterbauteile 9 sind als Leistungshalbleiterbauteile ausgebildet und weisen jeweils eine erste Hauptoberfläche 11 sowie eine dieser gegenüberliegende zweite Hauptoberfläche 13 auf. Die Halbleiterbauteile 9 sind derart angeordnet, dass ihre zweite Hauptoberfläche 13 der ersten Hauptoberfläche 5 des Schaltungsträgers 3 zugewandt ist.
Jedes Halbleiterbauteil 9 weist zumindest einen Halbleiterchip 15 auf, der in eine Kunststoffgehäusemasse 17 eingebettet ist. Aus der Kunststoffgehäusemaße 17 ragen Außenkontakte 19 zur Kontaktierung des Schaltungsträgers 3.
An der ersten Hauptoberfläche 11 der Halbleiterbauteile 9 liegt jeweils ein wärmeleitender Einsatz 21 in Form eines heat slug frei. Der Einsatz 21 ist somit nicht von Kunststoffgehäusemasse 17 bedeckt, sondern bildet einen erheblichen Bereich der ersten Hauptoberfläche 11 aus. Die Halbleiterbauteile 9 werden über einen Kühlkörper 23 in Form einer ausgedehnten metallischen Platte entwärmt. Der Kühlkörper 23 ist mit den wärmeleitenden Einsätzen 21 der Halbleiterbauteile 9 über ein wärmeleitendes Federelement 25 verbunden.
Das wärmeleitende Federelement 25 weist in der gezeigten Ausführungsform zwei erste Abschnitte 29 zur Kontaktierung der Einsätze 21 auf. Ferner weist das Federelement 25 zumindest einen zweiten Abschnitt 31 zur Kontaktierung des Kühlkörpers 23 auf. Die ersten Abschnitte 29 und der zweite Abschnitt 31 sind parallel zueinander und um den Niveauunterschied a stufenförmig versetzt angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform liegen die beiden ersten Abschnitte 29 auf demselben Niveau. Gemäß nicht gezeigten Ausführungsformen können jedoch auch erste Abschnitte 29 auf einem unterschiedlichen Niveau vorgesehen sein, beispielsweise wenn Halbleiterbauteile 9 unterschiedlicher Größe kontaktiert werden sollen.
Die ersten Abschnitte 29 sind mit dem zweiten Abschnitt 31 über Verbindungsabschnitte 33 federnd verbunden.
Gemäß einer nicht gezeigten Ausführungsform verbindet das Federelement lediglich ein einziges Halbleiterbauteil 9 mit dem Kühlkörper 23. in diesem Fall kann es aus Stabilitätsgründen zweckmäßig sein, mehr als einen ersten Abschnitt 29 pro Halbleiterbauteil vorzusehen. Zur Herstellung der Halbleiterbaugruppe 1 wird der Schaltungsträger 3 bereitgestellt und mit den Halbleiterbauteilen 9 und gegebenenfalls weiteren Komponenten bestückt. Anschließend wird das Federelement 25 auf die Halbleiterbauteile 9 aufgesetzt und mit den Einsätzen 21 verschweißt oder durch eine Bondverbindung (ribbon bonding) verbunden. Anschließend kann nach Bedarf eine Isolationsfolie 27 zur elektrischen Isolation auf den zweiten Abschnitt 31 aufgebracht werden.
Anschließend wird der Kühlkörper 23 auf den zweiten Abschnitt 31 aufgesetzt. Durch die Federeigenschaft des Federelements 25 kann beim Aufsetzen des Kühlkörpers 23 ein Toleranzausgleich erfolgen, indem der Niveauunterschied a verändert wird.
Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Halbleiterbaugruppe, die sich von der in Figur 1 gezeigten dadurch unterscheidet, dass zwischen den ersten Abschnitten 29 des Federelements 25 und den Einsätzen 21 eine Isolationsfolie 35 aufgebracht ist, die eine Klebeverbindung herstellt. Diese dient dazu, eine elektrische Verbindung der beiden Einsätze 21 über das Federelement 25 zu verhindern. Zwischen dem Federelement 25 und dem Kühlkörper 23 ist in dieser Ausführungsform keine Isolationsfolie vorgesehen.

Claims

8 Patentansprüche
1 . Halbleiterbaugruppe (1 ), aufweisend
- zumindest einen Schaltungsträger (3) mit einer ersten Hauptoberfläche (5);
- zumindest ein auf der ersten Hauptoberfläche (5) des Schaltungsträgers (3) angeordnetes Halbleiterbauteil (9), wobei eine zweite Hauptoberfläche (13) des Halbleiterbauteils (9) der ersten Hauptoberfläche (5) des Schaltungsträgers (3) zugewandt ist und an einer der zweiten Hauptoberfläche (13) gegenüberliegenden ersten Hauptoberfläche (11 ) des Halbleiterbauteils (9) ein wärmeleitender Einsatz (21 ) freiliegt;
- einen mit dem wärmeleitenden Einsatz (21 ) verbundenen Kühlkörper (23), wobei der Kühlkörper (23) mit dem wärmeleitenden Einsatz (21 ) über zumindest ein mit dem Einsatz (21 ) stoffschlüssig verbundenes, wärmeleitendes Federelement (25) verbunden ist, wobei zwischen dem zumindest einen Federelement (25) und dem Kühlkörper (23) ein elektrisch isolierendes Material (27) angeordnet ist.
2. Halbleiterbaugruppe (1 ) nach Anspruch 1 , wobei auf der ersten Hauptoberfläche (5) des Schaltungsträgers (3) mehrere Halbleiterbauteile (9) angeordnet und mit einem gemeinsamen Kühlkörper (23) über dasselbe Federelement (25) verbunden sind.
3. Halbleiterbaugruppe (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Federelement (25)
- zumindest einen ersten Abschnitt (29) zur Kontaktierung des Einsatzes (21 ) und
- zumindest einen zweiten Abschnitt (31 ) zur Kontaktierung des Kühlkörpers (23) aufweist, wobei der erste Abschnitt (29) und der zweite Abschnitt (31 ) parallel verlaufend und stufenförmig um einen Niveauunterschied a versetzt zueinander angeordnet sind und miteinander durch einen Verbindungsabschnitt (33) verbunden sind, der den Niveauunterschied a überbrückt und derart elastisch federnd ausgebildet ist, dass er eine Veränderung des Niveauunterschieds a zwischen den Abschnitten (29, 31 ) erlaubt.
4. Halbleiterbaugruppe (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das zumindest eine Federelement (25) mit dem Einsatz (21 ) verschweißt oder durch eine Bondverbindung verbunden ist.
5. Halbleiterbaugruppe (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 9 wobei das zumindest eine Federelement mit dem Einsatz mittels eines elektrisch isolierenden Materials verklebt ist.
6. Halbleiterbaugruppe (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schaltungsträger (3) als IMS (insulated metal substrate) ausgebildet ist.
7. Halbleiterbaugruppe (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei auf der zweiten Hauptoberfläche (13) des Schaltungsträgers (3) ebenfalls ein Kühlkörper (23) angeordnet ist.
8. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterbauteilgruppe (1 ), aufweisend
- Bereitstellen eines Schaltungsträgers (3) mit einer ersten Hauptoberfläche (5), wobei auf der ersten Hauptoberfläche (5) des Schaltungsträgers (3) zumindest ein Halbleiterbauteil (9) angeordnet ist, wobei eine zweite Hauptoberfläche (13) des Halbleiterbauteils (9) der ersten Hauptoberfläche (5) des Schaltungsträgers (3) zugewandt ist und an einer der zweiten Hauptoberfläche (13) gegenüberliegenden ersten Hauptoberfläche (11 ) des Halbleiterbauteils (9) ein wärmeleitender Einsatz (21 ) freiliegt;
- Bereitstellen eines mit dem wärmeleitenden Einsatz (21 ) verbundenen Kühlkörpers (23),
- Bereitstellen eines wärmeleitenden Federelements (25);
- stoffschlüssiges Verbinden des wärmeleitenden Federelements (25) mit dem wärmeleitenden Einsatz (21 );
- Aufsetzen eines Kühlkörpers (23) auf eine Kontaktfläche des Federelements (25), wobei zwischen dem zumindest einen Federelement (25) und dem Kühlkörper (23) ein elektrisch isolierendes Material (27) angeordnet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Verbinden des wärmeleitenden Federelements (25) mit dem wärmeleitenden Einsatz (21 ) mittels einer Schweiß- oder Bondverbindung erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Verbinden des wärmeleitenden Federelements (25) mit dem wärmeleitenden Einsatz (21 ) mittels eines elektrisch isolierenden Materials erfolgt.
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