DE10103084A1 - Halbleitermodul und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Halbleitermodul und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Abstract
Bei einem Halbleitermodul mit wenigstens einem Halbleiterbauelement (1), das unmittelbar auf einen Trägerkörper (3, 4, 5) angeordnet ist, welcher eine mit einer Metallschicht (4) versehene Isolationskeramik (3) aufweist, ist wenigstens ein Anschlussleiter (6, 7) mit der Metallschicht (4) mittels Schweißen, insbesondere Mikrolaserschweißen, verbunden.
Description
In elektrischen und elektronischen Geräten werden die ent
sprechenden Elektronikschaltungen üblicherweise modular auf
gebaut, d. h. aus einzelnen Halbleiterbauelementen oder Grup
pen von Halbleiterbauelementen, die jeweils auf einen gemein
samen Träger angeordnet sind und die zur vereinfachten Monta
ge des Gerätes vorgefertigt werden können. Module können im
Schadensfall auch leichter ausgetauscht werden als einzelne
Bauelemente bzw. ganze Schaltungen.
Beim Bau und Entwurf solcher Halbleitermodule wird eine sta
bile zuverlässige und kostengünstige Gestaltung angestrebt.
Außerdem ist eine möglichst kleine Baugröße der Module er
wünscht. Dabei ist insbesondere auch die mechanische Stabili
tät sowie die Möglichkeit der Abfuhr der anfallenden Verlust
wärme zu berücksichtigen.
Typischerweise werden als Trägerkörper für derartige Hablei
termodule Isolationskeramiken verwendet, die auf wenigstens
ihrer den Halbleiterbauelementen zugewandten Oberseite eine
Metallschicht aufweisen, die beispielsweise in Form von Lei
terbahnen ausgestaltet sein kann.
Ein Problem ist dabei die möglichst dauerhafte, stabile und
gut leitende Verbindung der Anschlüsse mit der Metallschicht
des Trägerkörpers.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleitermodul mit we
nigstens einem Halbleiterbauelement, das unmittelbar auf ei
nem Trägerkörper angeordnet ist, welcher eine Isolationskera
mik und eine auf deren dem Halbleiterbauelement zugewandten
Oberseite angeordnete, mit der Isolationskeramik fest verbun
dene Metallschicht aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei derartigen
Halbleitermodulen eine feste und dauerhaft gut elektrisch
leitende Verbindung zu der Metallschicht des Trägerkörpers zu
schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass wenigs
tens ein Anschlussleiter mit der Metallschicht mittels
Schweißen, insbesondere Mikrolaserschweißen verbunden ist.
Zur Verbindung von Anschlussleitern mit einer Metallschicht
eines Trägerkörpers auf der Basis einer Isolationskeramik ist
bislang bekannt, die Anschlussleiter mit der Metallschicht zu
verlöten oder die Anschlussleiter als Bonddrähte auszubilden,
die mittels einer Bondtechnik mit der Metallschicht verbunden
werden.
Bei Anwendung der Löttechnik ergibt sich eine mechanisch fes
te Verbindung, welche die etwa in der Lötverbindung anfallen
de Verlustwärme gut zu dem Trägerkörper ableitet. Jedoch ist
die Lötverbindung anfällig bei mechanischen und thermischen
Wechselbelastungen und kann sich mit der Zeit lösen.
Eine Bondverbindung ist wesentlich flexibler und wechsellast
beständiger als eine Lötverbindung, jedoch kann sie zur Ab
fuhr von Verlustleistungswärme von Halbleiterbauelementen
kaum etwas beitragen.
Eine Schweißverbindung an dieser Stelle hat einerseits den
Vorteil, sehr fest und wechsellastbeständig zu sein, anderer
seits auch wegen der Art der Verbindung des Anschlussleiters
mit der Metallschicht einen guten Wärmeübergang zu gewähr
leisten. Fertigungstechnisch ist vorteilhaft, dass bei der
Verbindung des Anschlussleiters mit der Metallschicht kein
zusätzliches Material, beispielsweise in Form von Lot, einge
bracht werden muss.
Die Anwendung der Schweißtechnik bei der Herstellung von
elektrisch leitenden Verbindungen ist grundsätzlich bekannt,
jedoch nicht die Anwendung innerhalb eines Halbleitermoduls
auf einem Trägerkörper, sondern lediglich in größerem Maßstab
auf Platinen.
Wegen der geringen Baugröße der Halbleitermodule ist dabei
eine sehr präzise Schweißtechnik notwendig, wie sie bei
spielsweise durch das Mikrolaserschweißen gegeben ist. Der
Mikrolaserschweißvorgang ist dabei für die Herstellung von
erfindungsgemäßen Halbleitermodulen voll automatisierbar.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
die Isolationskeramik des Trägerkörpers aus Al2O3 besteht.
Diese Keramik ist besonders kostengünstig und zeigt ein güns
tiges Isolationsverhalten sowie eine geringe thermische Aus
dehnung, so dass die bei Temperaturschwankungen auftretenden
mechanischen Belastungen an den Fügestellen gering gehalten
werden. Dies trägt ebenfalls zur Stabilität der Schweißver
bindungen bei.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht
vor, dass die Metallschicht aus Kupfer besteht. Dies ermög
licht einen guten Wärmeübergang von den Anschlussleitern zu
dem Trägerkörper und erlaubt das Herstellen einer dauerhaften
Schweißverbindung.
Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, dass der
Trägerkörper als DCB-Substrat ausgebildet ist.
Ein DCB(Direct Copper Bonded)-Substrat entsteht dadurch, dass
eine mit einer dünnen Oxidschicht versehenen Kupferfolie in
Kontakt mit einer Al2O3 Keramik gebracht und soweit erhitzt
wird, dass sich an der Grenzschicht zwischen Kupfer und Kera
mik eine eutektische schmelzflüssige Phase ausbildet, wodurch
nach Abkühlen des Verbundkörpers eine innige Verbindung zwi
schen der Kupferschicht und der Keramik hergestellt ist.
Durch diese feste Verbindung wird bewirkt, dass der Verbund
körper insgesamt einen thermischen Expansionskoeffizienten
aufweist, der im wesentlichen gleich dem der Keramik ist.
Es ergibt sich daher insgesamt eine geringe thermische Expan
sion bei Temperaturänderungen. Somit werden bei Einsatz eines
DCB-Substrats die Fügestellen zwischen der Metallschicht und
den Anschlussleitern besonders gering mechanisch belastet.
Es kann jedoch auch vorteilhaft vorgesehen sein, dass die
Isolationskeramik aus AlN oder BeO besteht.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zur
Herstellung eines Halbleitermoduls gemäß einem der Ansprüche
1 bis 6 mit wenigstens einem Halbleiterbauelement, das unmit
telbar auf einem Trägerkörper angeordnet ist, welcher eine
Isolationskeramik und eine auf deren dem Halbleiterbauelement
zugewandten Oberseite angeordnete, mit der Isolationskeramik
fest verbundene Metallschicht aufweist.
Zur Lösung der Aufgabe, auf möglichst einfache Weise eine zu
verlässige und dauerhafte Verbindung zwischen den Anschluss
leitern und der Metallschicht zu schaffen, ist erfindungsge
mäß vorgesehen, dass wenigsten ein Anschlussleiter mit der
Metallschicht mittels Schweißen, insbesondere Mikrolaser
schweißen verbunden wird.
Dieses Verfahren ist einfach und schnell durchführbar und
voll automatisierbar. Dabei muss im Rahmen des Fügevorgangs
kein weiteres Material eingebracht werden. Die Qualität der
Fügestelle lässt sich leicht kontrollieren und steuern.
Es kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der An
schlussleiter mit der Metallschicht mittels aufeinanderfol
gender Punktschweißungen verbunden wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei
spiels in einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend beschrie
ben.
Dabei zeigt
Fig. 1: schematisch im Querschnitt einen Teil eines Halb
leitermoduls,
Fig. 2: eine Schweißverbindung eines Anschlussleiters mit
einer Metallschicht in zwei Ansichten,
Fig. 3: eine Schweißverbindung in einer anderen Ausfüh
rungsform in zwei Ansichten.
Fig. 1 zeigt im Grundsatz den Aufbau eines Halbleitermoduls
mit einem Halbleiterbauelement 1, das unmittelbar auf einem
Trägerkörper 2 angeordnet ist. Der Trägerkörper 2 ist als DCB
(Direct Copper Bonded)-Körper ausgebildet und besteht aus ei
ner Isolationskeramik 3 aus Al2O3, die auf beiden Seiten je
weils eine Kupferschicht 4, 5 trägt, die mit der Isolations
keramik fest verbunden ist.
Das Halbleiterbauelement 1 kann direkt auf die Metallschicht
4 aufgeklebt oder aufgelötet sein. Der Anschlussleiter 7 ist
gemäß der Erfindung in den Bereichen 8, 9 mit der Metall
schicht 4 mittels eines Mikrolasers verschweißt.
Der DCB-Körper ist durch die feste Verbindung der Metall
schichten 4, 5 mit der Isolationskeramik 3 mechanisch derart
stabil und mit einem derart geringen Wärmeausdehnungskoeffi
zienten versehen, dass der Anschlussleiter 7 mit der Metall
schicht 4 durch Schweißen dauerhaft und wechsellastbeständig
verbunden werden können.
Fig. 2 zeigt genauer die Art der Befestigung und Kontaktie
rung eines Anschlussleiters durch Mikrolaserschweißen.
Dort ist schematisch die Isolationskeramik 3 sowie die Kup
ferschicht 4 im Querschnitt dargestellt sowie das Ende eines
Anschlussleiters 7, der an seinem dem Trägerkörper zugewand
ten Ende derart abgebogen ist, dass sein Ende 10 parallel zu
der Oberfläche der Kupferschicht 4 verläuft.
An der zwischen dem Ende 10 des Anschlussleiters 7 und der
Kupferschicht 4 entstehenden Fügekante wird mittels mehrerer
aufeinanderfolgender Punktschweißungen eine Punktschweißnaht
11 auf der einen Seite des Anschlussleiters und eine weitere
Punktschweißnaht 12 auf der gegenüberliegenden Seite des An
schlussleiters 7 gebildet, wodurch der Anschlussleiter mit
der Kupferschicht 4 mechanisch fest sowie elektrisch zuver
lässig verbunden ist und wobei auch eine gute thermische An
kopplung gewährleistet ist.
Die Punktschweißnaht ist mittels eines Mikrolasers herge
stellt, was durch verschiedene, jeweils symbolisch durch
Sterne angedeutete Positionen des Mikrolasers und des Laser
strahls angedeutet ist.
In Fig. 3 ist eine Variante der Erfindung dargestellt, bei
der nur aus einer einzigen Richtung bezüglich des Anschluss
leiters mittels eines Lasers geschweißt wird. Der Laser kann
somit während des automatischen Schweißvorgangs grundsätzlich
an einer einzigen Stelle verbleiben bzw. das Werkstück in
Form des Halbleitermoduls muss nicht auf eine andere Seite
des Lasers bewegt werden oder umgekehrt. Die Richtung, in der
der Laser 14 angeordnet ist, ist in der Fig. 3 schematisch
angedeutet. Es muss zur Herstellung einer mehrteiligen zuver
lässigen Schweißverbindung lediglich der Einstrahlwinkel des
Lasers 14 in engen Grenzen verändert werden.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn ein insbeson
dere rechtwinklig abgebogener Fuß 15 des Anschlussleiters 13
einen oder mehrere Schlitze 16, 17 aufweist, an denen Fügekanten
zwischen dem Fuß 15 und der Kupferschicht 18 des Sub
strats entstehen, die mittels Punktschweißnähten verschweißt
werden können. Hierdurch wird eine genügend lange Schweißnaht
erzeugt, um eine mechanisch, thermisch und elektrisch sehr
gute Verbindung zwischen dem Fuß 15 des Anschlussleiters 13
und der Kupferschicht 18 zu schaffen.
Die Anwendung der beschriebenen Schweißtechnik ist besonders
vorteilhaft bei DCB-Substraten anzuwenden, jedoch ist dies
auch bei AlN-Substraten bzw. bei BeO-Substraten jeweils mit
Kupferbeschichtung oder einer ähnlichen Metallbeschichtung
(z. B. Aluminium) denkbar.
Schießlich kann es auch von Vorteil sein, die Anschlussleiter
7, 13 und die Metallschicht 4, 18 des Trägerkörpers mit me
tallischen oder nichtmetallischen Überzügen zu beschichten
wie beispielsweise Nickel, Siber, Zinn, Oxyde und ähnlichem.
Claims (13)
1. Halbleitermodul mit wenigstens einem Halbleiterbauelement
(1), das unmittelbar auf einem Trägerkörper (2) angeordnet
ist, welcher eine Isolationskeramik (3) und eine auf deren
dem Halbleiterbauelement (1) zugewandten Oberseite angeordne
te, mit der Isolationskeramik (3) fest verbundene Metall
schicht (4, 18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass we
nigstens ein Anschlussleiter (7, 13) eines Halbleiterbauele
ments (1) mit der Metallschicht (4, 18) mittels Schweißen
verbunden ist.
2. Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Isolationskeramik (3) des Trägerkörpers (2) aus
Al2O3 besteht.
3. Halbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Metallschicht (4, 18) aus Kupfer und/oder
Aluminium besteht.
4. Halbleitermodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
dass der Trägerkörper (2) als DCB-Substrat und/oder AMB-
Substrat ausgebildet ist.
5. Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Isolationskeramik aus AlN besteht.
6. Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Isolationskeramik aus BeO besteht.
7. Halbleitermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, dass die Anschlussleiter (7, 13) Cu,
Al, CuSn und/oder CuZn aufweisen.
8. Halbleitermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (4, 18) be
schichtet ist.
9. Halbleitermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, dass der Anschlussleiter (13) einen Fuß
(15) aufweist, der rechtwinklig gebogen ist.
10. Halbleitermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, dass der Fuß (15) mit einem oder mehre
ren Schlitzen (16, 17) versehen ist.
11. Halbleitermodul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
dass die Breite des/der Schlitze(s) (16, 17) in etwa gleich
der Dicke des Fußes (15) ist.
12. Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls gemäß
einem der vorangehenden Ansprüche mit wenigstens einem
Halbleiterbauelement (1), das unmittelbar auf einem Träger
körper (2) angeordnet ist, welcher eine Isolationskeramik (3)
und eine auf deren den Halbleiterbauelementen (1) zugewandten
Oberseite angeordnete, mit der Isolationskeramik fest verbun
dene Metallschicht (4, 18) aufweist, dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens ein Anschlussleiter (7, 13) mit der Metall
schicht (4, 18) mittels Schweißen verbunden wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass
der Anschlussleiter (7, 13) mit der Metallschicht (4, 18)
mittels aufeinanderfolgender Punktschweißungen verbunden
wird.
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