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Die
Erfindung betrifft die wellenförmige
Ausbildung der Kühlfläche von
Halbleiterbauelementen und ein Verfahren zur Herstellung von wellenförmigen Kühlflächen von
Halbleiterbauelementen.
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Gewöhnliche
Halbleiterbauelemente bestehen aus einem Trägersubstrat- bevorzugt Keramiksubstrat,
den darauf angeordneten Leiterbahnen, einem oder mehreren Halbleiterchips – in der
Regel Siliziumchips –,
einem Gehäuse
aus Kunststoff und den sich am Gehäuse befindenden elektrischen
Anschlüssen.
Der Körper
des Gehäuses
kann aus einem rahmenförmigen
Kunststoffgehäuse,
der mit Vergussmasse, z. B. Silikon, aufgefüllt ist, bestehen.
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Alternativ
wird das Kunststoffgehäuse
durch Kunststoffumspritzen (Umpresstechnik) erzeugt. Dabei wird
ein Trägerelement
mit aufgelötetem
Chip unter Freilassung seiner als Kühlfläche konzipierten Unterseite
mit flüssigem
Kunststoff umspritzt. Die 1 und 2 zeigen
solche umpressten Halbleiterbauelemente, wobei die Bezugszeichen 10a, 20a die
Oberseite und die Bezugszeichen 10b, 20b die Unterseite
des Halbleiterbauelementes darstellen.
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Ein
Nachteil der bekannten Halbleiterbauelemente liegt in der relativ
hohen Erwärmung
während des
Betriebes. Die im Halbleiterelement entstehende Verlustwärme wird über einen
Kühlkörper abgeführt. Insbesondere
bei Leistungshalbleitern, die eine sehr hohe in Wärme umgesetzte
Verlustleistung aufweisen, ist eine effektive Wärmeabfuhr zu gewährleisten. 2 zeigt
ein solches Leistungshalbleiterbauelement, wobei das Bezugszeichen 20a die
Oberseite und das Bezugszeichen 20b die Unterseite des
Halbleiterbauelementes bezeichnet.
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Der
Kühlkörper weist
bevorzugt eine ebene Oberfläche
auf, woraus sich die Forderung einer ebenfalls ebenen Kühlfläche ableitet.
Zur thermischen Ankopplung wird der Kühlkörper an die Kühlfläche des
Halbleiterbauelementes gepresst oder geschraubt, abhängig von
der Baugröße. Der
Wärmeübergang
erfolgt durch eine dünne
Schicht Wärmeleitpaste,
deren Dicke vorzugsweise weniger als 0,1 mm beträgt. Der Kühlkörper kann unterschiedlich ausgebildet
sein. Die unterschiedlichen Ausbildungen sind dem Fachmann bekannt.
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Nach
der Kunststoffumspritzung verformt sich das Halbleiterbauelement
während
des Abkühlen
aufgrund der Kunststoffschrumpfung sowohl an der Ober- als auch Unterseite,
wodurch die angestrebte ebene Kontaktfläche des Gehäuses zum Kühlelement nicht mehr gegeben
ist und demnach keine optimale Wärmeabfuhr
an den Kühlkörper sichergestellt
werden kann. Bei vergrößerten Bauformen
von Leistungshalbleitern, die den anwenderseitigen Forderungen nach
höherer
Stromtragfähigkeit und
gesteigertem Integrationsgrad Rechnung tragen, ist dies besonders
nachteilig.
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Bezogen
auf die Oberfläche
des Kühlkörpers stellt
sich bei ebener Kühlflächengestaltung
des Halbleitermoduls nach dem Umpressen mit flüssigem Kunststoff während des
Abkühlen
eine im Querschnitt parabolisch konvexe Gestalt der Kühlfläche ein.
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In 3 ist
die Durchbiegung einer ebenen Kühlfläche eines
Halbleiterbauelementes nach dem Stand der Technik dargestellt. Hierbei
wird angenommen, dass die Kühlfläche 30 auf
einen ebenen Kühlkörper mit
der Oberfläche 70 aufgesetzt
wird, der auf dem Niveau z = 0 liegt. Es ist ersichtlich, dass eine konvexe
Durchbiegung des Halbleiterbauelementes vorliegt. Die thermische
Ankopplung der Kühlfläche 30 an
den Kühlkörper erfolgt
zwecks Verbesserung des Wärmeübergangs
unter Anwendung einer dünnen
Schicht Wärmeleitpaste,
deren typische Dicke weniger als 0,1 mm beträgt. Wird die Kühlflache
des Bauelements durch Anpressen an den Kühlkörper nicht geebnet, kann eine
thermische Ankopplung aller Bereiche nicht gewährleistet werden, was wiederum
den Wärmeübergang
verschlechtert.
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Aus
der
DE 101 25 697
A1 ist bekannt, dass sich die ebene Ausbildung der Kühlfläche nach
dem Stand der Technik auch aufgrund der unterschiedlichen thermischen
Wärmeausdehnungskoeffizienten der
verschiedenen Materialien von Substrat, Halbleiter und Kunststoff
als problematisch erweist. Diese aufgrund von unterschiedlichen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten dem Halbleiterelement anhaftenden
mechanischen Spannungen überlagern
sich mit den mechanischen Spannungen, die aus dem Schrumpfen des
verwendeten Kunststoffmaterials beim Aushärten resultieren. Daher schlägt die
DE 101 25 697 A1 vor,
anstatt eines großflächigen,
mehrere kleinere Trägerelemente
zu umpressen, um sich deren jeweils geringere konvexe Durchbiegung
zu Nutze zu machen. Nachteilig ist, dass die Verwendung von kleineren
Trägerelementen
mit einer geringeren Leistungsdichte und einem höheren Fertigungsaufwand verbunden
ist, da ein erheblicher Anteil des Gehäusevolumens nicht für die Halbleiterbauelemente,
sondern für
die Zwischenräume
und elektrischen Verbindungselemente genutzt werden muss.
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Aus
der
EP 1 104 024 A2 geht
ein Halbleiterpacket mit einer Struktur hervor, die die als Wärme abfallende
Verlustleistung von auf Trägerplatten
angeordneten Halbleitern optimal an die Umgebung abstrahlt. Das
Halbleiterpacket bestehet aus mindestens einem Halbleiter, der auf
seiner Ober- und Unterseite mit Elektroden bestückt ist, einer wärmeabstrahlenden
Trägerplatte,
auf deren Oberseite der Halbleiter angeordnet und mit dieser mittels
einer Elektrode auf der Unterseite des Halbleiters in Verbindung
steht, und säulenförmig oder
kugelförmig ausgebildeten
Elektroden, die auf der Oberseite der Trägerplatte angeordnet und mit
den Elektroden des Halbleiters und der Trägerplatte verbunden sind. Die von
dem Halbleiter erzeugte Wärme
wird auf der Oberseite der Trägerplatte
in dieselbe eingeleitet und über
die als Kühlfläche fungierende
Unterseite der Trägerplatte
an die Umgebung abgestrahlt.
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In
der
EP 1 104 024 A2 ist
eine bevorzugte Ausführungsform
des bekannten Halbleiterpackets beschrieben, aus der eine Trägerplatte
aus Metall oder Keramik hervorgeht, die eine wellenförmig ausgebildete
als Kühlfläche fungierende
Unterseite aufweist. Dabei kann die Wellenform der Unterseite dreieckige,
rechteckige, wellenförmig
gewölbte
Teilabschnitte sowie andersartig geformte Teilabschnitte aufweisen.
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Die
US 6 031 727 A beschreibt
eine aus vielen Schichten bestehende PCB Leiterplatte, die mehrere
Schichten mit welleförmig
gewölbten
Teilabschnitten aufweist, um im Inneren der PCB Leiterplatte größere wärmeabführende Flächen bereitzustellen,
so dass die in integrierten elektrischen Schaltkreisen auf der Oberseite
der PCB Leiterplatte entstehende Wärme gegenüber vielschichtigen PCB Leiterplatten
mit ausschließlich
ebenen Schichten besser von den Schaltkreisen abgeführt wird.
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Aus
der
US 3 694 699 A geht
eine Trägerplatte
zur Herstellung von elektronischen Schaltkreisen mit verbesserten
wärmeabführenden
Eigenschaften hervor. Ein im wesentlichen ebenes keramisches Trägersubstrat
ist an seiner Unterseite mit einer metallischen Schicht versehen,
an der eine wellenförmig
ausgebildete, metallische Folie mittels eines Lötmittels wärmeleitend befestigt ist, die
die in einem Schaltkreis auf der Oberseite des Trägersubstrats
entstehende und in das Trägersubstrat
eingeleitete Wärme
aufnimmt und an die Umgebung abstrahlt.
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Die
DE 39 40 933 A1 beschreibt
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verformung von Basisplatten
bestehend aus einer Kupferträgerplatte
und einer mittels einer Lötschicht
auf dieser aufgebrachten Keramikplatte zur Bestückung mit einem Halbleiter.
Die durch den Lötprozess
nach Erkaltung der Lötverbindung
unvorteilhaft und bezogen auf einen Kühlkörper konkav verformte Basisplatte
wird mittels einer Druckvorrichtung in eine beheizbare formgebende
Schale gepresst, um die Form der Kupferträgerplatte bezogen auf den Kühlkörper konvex
einzustellen, so dass bei seitlicher Verschraubung unter mechanischer
Spannung eine innige Berührung
zwischen dem Kühlkörper und
der Basisplatten entsteht. Hierdurch ist gewährleistet, dass die als Wärme abfallende
Verlustleistung des Halbleitermoduls optimal über den Kühlkörper abfließen kann.
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Die
US 5 673 177 A beschreibt
eine Anordnung bestehend aus einem Halbleiterbauelement und einem
Kühlkörper. Der
Kühlkörper umfasst
eine aus Drähten
gebogene Struktur, die über
ein wärmeleitendes
Material in thermischen Kontakt mit einem plattenförmigen Basisteil
aus einem wärmeleitenden Material
besteht Die Fläche
des plattenförmigen
Basisteils des Kühlkörpers, die
der aus gebogenen Drähten
bestehenden Struktur des Kühlkörpers gegenüberliegt,
ist wellenförmig
ausgebildet, wobei die gebogenen Enden der Drähte in den muldenförmigen Vertiefungen
liegen, die sich aus der wellenförmigen Ausbildung
der Kontaktfläche
des plattenförmigen Basisteils
ergeben.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die thermische
Ankopplung eines Halbleiterbauelementes an einen Kühlkörper zu
verbessern und somit die Kühlung
des Halbleiterbauelementes zu optimieren.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung
eines hinsichtlich der thermischen Ankopplung des Halbleiterbauelementes
an einen Kühlkörper verbesserten
Halbleitermoduls anzugeben.
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Diese
Aufgaben werden erfindungsgemäß mit den
Merkmalen der Patentansprüche
1 und 10 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei
der erfindungsgemäßen Anordnung
von einem Halbleiterbauelement mit einer Kühlfläche und einem an der Kühlfläche des
Halbleiterbauelementes anliegenden Kühlkörper zur Kühlung desselben ist die als
Kühlfläche fungierende
Unterseite eines umpressten Trägerelementes
wellenförmig
ausgebildet. Die wellenförmige
Ausbildung des Trägerelementes minimiert
die zuvor in 3 beschriebene fertigungsbedingte
Deformation des Träger elementes
beim Umspritzen durch das Zusammenziehen der Umpressmasse während des
Aushärten.
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Es
können
auch großflächige Trägerelemente
Verwendung finden, woraus sich im Vergleich zu mehreren kleineren
Trägerelementen
eine höhere Leistungsdichte
und ein geringerer Fertigungsaufwand ergibt.
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Auch
der nachträglichen
Verformung der ebenen Kühlfläche während des
Einsatzes in z. B. Stromrichtern bei Temperaturen entsprechend der
typischen Betriebstemperaturen, insbesondere für Leistungshalbleitermodule
hoher Leistungsklassen, kann im Zusammenhang mit den zuvor erwähnten unterschiedlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten der
verschiedenen Materialien mit der wellenförmigen Ausbildung der Kühlfläche entgegengewirkt
werden.
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In
einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform
weist die wellenförmige
Kühlfläche des
Halbleiterbauelementes wechselweise konvexe und konkave Teilabschnitte
auf, wobei die konvexen und konkaven Teilabschnitte durch Kreissegmente gebildet
werden.
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In
einer alternativen erfindungsgemäßen Ausführungsform
werden die wechselweise konvexen und konkaven Teilabschnitte durch
sinusförmige Segmente
gebildet.
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Die
Kühlfläche des
Halbleiterbauelementes kann sowohl eindimensional wellenförmig als
auch zweidimensional wellenförmig
ausgebildet sein. Setzt man die Erfindung in einer eindimensional
wellenförmigen
Ausführungsform
um, also mit einem wellenförmigen
Profil in einer Richtung, und einem ebenen Profil in der anderen
Richtung, so stellt sich, analog zu einem Wellblech, eine erhöhte Biegesteifigkeit
des Halbleiterbauelementes gegenüber
einem ebenen Profil in Bezug auf die Achse mit Wellenform ein, die
einer übermäßigen konvexe
Biegung des ebenen Profils entgegenwirkt. Dieser positive mechanische
Effekt kann durch eine zweidimensional aufgeprägte Wellenförmigkeit der Kühlfläche zusätzlich verstärkt werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung einer wellenförmigen
Kühlfläche von
Halbleiterbauelementen beruht darauf, dass eine Wellenform durch
Umformung des Trägerelementes
aufgeprägt
wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird
in einer Vorrichtung (Umpressform), die eine wellenförmig ausgebildete
Kavität
aufweist, eine wellenförmige
Kühlfläche von
Halbleiterbauelementen herstellt.
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Im
folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 bis 3 Ansichten
von Halbleiterbauelementen nach dem Stand der Technik,
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4 eine
prinzipielle Anordnung von einem umpressten Halbleiterbauelement
mit wellenförmigem
Trägerelement
und Kühlkörper (schematisch),
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5 zweidimensionale
Darstellung der eindimensional wellenförmigen Ausführungsform der Kühlfläche,
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6 zweidimensionale
Darstellung der zweidimensional wellenförmigen Ausführungsform der Kühlfläche,
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7 schematische
Darstellung der Kavität einer
Umpressform,
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8 Durchbiegung
des Halbleiterbauelementes nach der Entnahme aus der Umpressform,
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9 Pressen
während
des Ausheizens des Halbleiterbauelementes zur Vermeidung des Überstandes
der Kühlfläche im Bereich
der Mitte,
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10 Resultierende
Durchbiegung der Kühlfläche nach
dem Ausheizen im entspannten Zustand.
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4 zeigt
die prinzipielle Anordnung von einem umpresstem Halbleiterbauelement
mit einem Kunststoffgehäuse 40,
hier schematisch dargestellt, und einem wellenförmig ausgebildeten Trägerelement,
und einem Kühlkörper 50,
wobei die als Kühlfläche fungierende
Unterseite 30 des Halbleiterbauelementes mit der Oberseite
des Kühlkörpers 50 verbunden
ist. Die wellenförmig
ausgebildete Kühlfläche 30 weist
wechselweise konvexe und konkave Teilabschnitte auf, wodurch die
herstellungsbedingten Verformungsabstände Zi der
gebildeten Kühlfläche zur Oberfläche des
Kühlkörpers 70 minimiert
werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel
sind die konvexen und konkaven Teilabschnitte Kreissegmente. Der Kühlkörper 50 ist
hier nur schematisch dargestellt.
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Des
Weiteren sind die Verformungsabstände Zi der
gebildeten Kühlfläche 30 zur
Oberfläche
des Kühlkörpers 70 infolge
der wellenförmigen
Ausbildung der Kühlfläche 30 minimal.
Der maximale Verformungsabstand Zmax des
höchsten
max Punktes der Kühlfläche 30 vom
tiefsten, auf dem Kühlkörper 50 aufliegenden.
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Punkt
ist nicht größer als
die Dicke der Wärmeleitpaste 60,
deren typische Dicke weniger als 0,1 mm beträgt. Dadurch werden beim Kontakt
der Kühlfläche 30 mit
dem Kühlkörper 50 die
wellenförmigen Zwischenräume vollständig mit
Wärmeleitpaste 60 ausgefüllt sind,
so dass eine thermische Ankopplung aller Bereiche des Trägerelementes
an den Kühlkörper 50 in
Verbindung mit einer Wärmeleitpaste 60 erfindungsgemäß vorliegt.
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5 zeigt
die zweidimensionale Darstellung der erfindungsgemäß eindimensional
wellenförmigen
Kühlfläche 200,
also mit einem wellenförmigen Profil
in einer Richtung bzw. bezüglich
einer Achse, und einem ebenen Profil in der anderen Richtung bzw.
bezüglich
der zweiten Achse. Die starke Achse trägt das Bezugszeichen 100a.
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6 zeigt
die zweidimensionale Darstellung der erfindungsgemäß zweidimensional
wellenförmigen
Kühlfläche 300,
also mit einem wellenförmigen
Profil der Kühlfläche bezüglich beider
Richtung bzw. Achsen. Die Achsen tragen die Bezugszeichen 100a und 100b.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 7 bis 10 das
Verfahren zur Herstellung einer wellenförmigen Kühlfläche von Halbleiterbauelementen
beschrieben.
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Zur
Aufprägung
der Wellenform findet bei der Herstellung des Halbleiterbauelements
eine Umpressform Verwendung, deren Kavität wechselweise konvexe und
konkave Teilabschnitte aufweist. Bei der bevorzugten Ausführungsform
weisen die konvexen und konkaven Teilabschnitte der Kavität Kreissegmente
auf, die in 7 durch tangential aneinander anschließende Kreise
(Hilfslinien) mit dem Bezugszeichen 80 bezeichnet sind.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann auch eine Vorrichtung zur Herstellung einer wellenförmigen Kühlfläche von
Halbleiterbauelementen mit einer Umpressform Verwendung finden,
die eine Kavität
aufweist, deren Mittelpunkt gegenüber den Randbereichen höher liegt,
so dass das Trägerelement
konkav umpresst wird, um dem resultierenden Überstand in der Mitte der Kühlfläche nach
unten beim Aushärten entgegenzuwirken.
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Die
Kavität
der Umpressform kann eindimensional wellenförmig oder zweidimensional wellenförmig ausgebildet
sein.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung einer wellenförmigen
Kühlfläche von
Halbleiterbauelementen umfasst eine aus vier Schritten bestehende
Umformung des Trägerelementes.
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Zuerst
wird das Trägerelement
in die Kavität der
Umpressform mit dem wellenförmigen
Profil eingelegt und durch Zufahren der Umpressform an die Kavität angedrückt, wobei
die als Niederhalter wirkenden Elemente das Trägerelement an dessen Enden
auf den Boden der Kavität
drücken.
Dies ist in 7 mit den beiden äußeren Pfeilen
dargestellt.
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Anschließend wird
das Trägerelement
mit aufgelötetem
Chip unter hohem Druck mit flüssigem Kunststoff
umpresst und somit auch im mittleren Bereich des Trägers an
das wellenförmige
Profil der Kavität
angepasst. Dies wird durch den mittleren Pfeil in 7 dargestellt.
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8 zeigt
die sich während
des Abkühlen einstellende
Profilform des umpressten Bauelementes nach Entnahme aus der Kavität mit einer übermäßigen konvexen
Durchbiegung des mittleren Wellenbereiches.
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Im
darauffolgenden Schritt wird das umpresste Trägerelement im konkav gepressten
Zustand ausgeheizt, wobei das Halbleiterbauelement unter Aufbringung
von Druck auf einen oder mehrere hervorstehende Abschnitte in der
Mitte der Kühlfläche von
unten nach oben gedrückt
wird. Die konkave Durchbiegung des Halbleiterbauelementes bezüglich der
ideal glatten Oberfläche
wird durch die gestrichelte Linie 90 dargestellt. Damit
soll einer übermäßigen konvexen
Durchbiegung des mittleren Wellenbereiches während des Abkühlen aufgrund
der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten entgegenwirkt
werden. Dies wird durch den Pfeil in 9 dargestellt.
Infolge des Ausheizens wird die Umpressmasse zudem noch verfestigt.
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Abschließend wird
das umpresste Halbleiterbauelement im entspannten Zustand bei Temperaturen
entsprechend der Betriebstemperatur zur Einstellung der wellenförmigen Geometrie
ausgeheizt, wodurch sich die für
die Anwendung vorteilhafte wellenförmige Form der Kühlfläche einstellt. 10 zeigt die
resultierende Durchbiegung der Kühlfläche nach dem
Ausheizen im entspannten Zustand. Im entspannten Zustand ergibt
sich sodann annähernd
gleiches Niveau der tiefsten Punkte der Wellenform des Trägerelementes.
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Die
Zahl ansteigender und abfallender Flanken des wellenförmigen Trägerelementes
ist beliebig oft erweiterbar und zweckmäßigerweise in Anlehnung an
die Abmessungen des Trägers
festzulegen, wobei mit größeren Abmessungen
eine größere Zahl von
Flanken vorzuziehen ist.
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Zusammenfassend
wurden seitens der Erfinder diverse Versuche zur Beurteilung der
sich einstellenden herstellungsbedingten Verformungen durchgeführt, die
die Vorteile der Erfindung validieren. Dabei wurde das Trägerelement
mittels Um presstechnik unter Anwendung unterschiedlich ausgeführter Kavitäten umpresst,
u. a. mit
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- (1) flacher Kavität
- (2) aus der Kavität
herausragenden Stiften, um das Substrat mittig konkav zu pressen
- (3) einem in die Kavität
eingelegten dünnen Blech,
um das Substrat mittig konkav zu pressen
- (4) in die Kavität
eingelegten dünnen
Blechen, um das Substrat in Längsrichtung
w-förmig
zu pressen
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Das
Aushärten
des flüssigen
Kunststoffs wurde ebenfalls variiert. Dabei wurde die Umpressmasse
in Verbindung mit anschließendem
- a) Abkühlen
bei Raumtemperatur
- b) Ausheizen sowie danach Abkühlen bei Raumtemperatur
- c) flach gepresstem Ausheizen sowie danach Abkühlen bei
Raumtemperatur
- d) flach gepresstem Ausheizen sowie danach ungepresstem Ausheizen
gefolgt von Abkühlen
bei Raumtemperatur
- e) konkav gepresstem Ausheizen sowie danach Abkühlen bei
Raumtemperatur
- f) konkav gepresstem Ausheizen sowie danach ungepresstem Ausheizen
gefolgt von Abkühlen bei
Raumtemperatur
ausgehärtet.
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Der
dabei erzielte Abstand zwischen höchster und niedrigster Stelle
der Kühlfläche im Längsschnitt
beläuft
sich auf bis zu 150 μm
bei den unvorteilhaften und auf bis zu 30 μm bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform.