DE102015102041A1 - Leistungsmodul - Google Patents

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Abstract

Leistungsmodul (10) mit einem Stanzgitter (20), einem auf dem Stanzgitter (20) angeordneten Leistungshalbleiter (30), einer Bodenplatte (40) zum Ableiten der vom Leistungshalbleiter (20) abgegebenen Wärme und einer das Stanzgitter (20) und den Leistungshalbleiter (30) umgebenden Umhüllungsmasse (50), die den Leistungshalbleiter (30) und/oder das Stanzgitter (20) mit der Bodenplatte (40) physisch verbindet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul mit einem Stanzgitter, einem auf dem Stanzgitter angeordneten Leistungshalbleiter und einer das Stanzgitter und den Leistungshalbleiter umgebenden Umhüllungsmasse.
  • Üblicherweise werden Leistungshalbleiter zum Schutz vor Umgebungseinflüssen einerseits und zu deren elektrischer Isolation andererseits von Kunststoffen, also von organischen Umhüllungsmassen, umgeben. Hierzu werden die Kunststoffe zum Teil mit Füllstoffen angereichert, die bestimmte Funktionen erfüllen sollen – beispielsweise werden Mold-Compounds mit Füllstoffen zur Einstellung eines bestimmten Wärmeausdehnungsverhaltens angereichert.
  • Allerdings wird trotz der Anreicherung der organischen Umhüllungsmassen mit Füllstoffen guter Wärmeleitfähigkeit insgesamt keine gute Wärmeleitfähigkeit in dem Mold-Compound erreicht.
  • Daher wird die Entwärmung der Halbleiter überwiegend über den sogenannten thermischen Stapel, also über eine gut wärmeleitende Anbindung der Leistungshalbleiter an ein Substrat und über dessen gute Wärmeanbindung an eine Bodenplatte oder einen Kühlkörper angestrebt.
  • Die elektrische Isolationsfähigkeit des thermischen Stapels wird dabei in einigen Fällen über keramische Trägerschichten im Substrat oder in anderen Fällen über spezielle elektrisch isolierende organische Wärmeleitfolien sichergestellt.
  • Nachteilig an diesem Aufbau und der Vorgehensweise zur Herstellung derartig aufgebauter Leistungsmodule ist nun, dass aufgrund der großen Vielfalt der hierzu benötigten Materialien auf deren unterschiedliche Wechselwirkungen untereinander, z. B. chemische oder auch thermomechanische Wechselwirkungen, geachtet werden muss. Weil es aufgrund dieser Wechselwirkungen auch häufig notwendig ist, bestimmte Arbeitsschritte getrennt voneinander oder nacheinander vorzunehmen, entsteht ein hoher Arbeits- und auch Zeitaufwand.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Leistungsmodul mit einer einen Leistungshalbleiter umgebenden Umhüllungsmasse zu schaffen, das einen einfachen Aufbau aufweist und eine gute Entwärmung der Halbleiter gewährleistet. Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfach und zeitsparend durchzuführendes Verfahren zur Herstellung eines derartigen Leistungsmoduls bereitzustellen.
  • Diese Aufgaben werden der Erfindung entsprechend durch das Leistungsmodul mit einem Stanzgitter, einem auf dem Stanzgitter angeordneten Leistungshalbleiter, einer Bodenplatte zum Ableiten der vom Leistungshalbleiter abgegebenen Wärme und einer das Stanzgitter und den Leistungshalbleiter umgebenden Umhüllungsmasse, die den Leistungshalbleiter und/oder das Stanzgitter mit der Bodenplatte verbindet und durch das Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls mit den folgenden Schritten: Verbinden des Leistungshalbleiters mit dem Stanzgitter gefolgt vom Umhüllen des mit dem Stanzgitter verbundenen Leistungshalbleiters mit einer Umhüllungsmasse unter gleichzeitiger physischer Anbindung der Bodenplatte an die Umhüllungsmasse.
  • Grundgedanke der Erfindung ist es, die Umhüllung von Leistungshalbleitern und die Anbindung an einen Kühlkörper durch ein und dasselbe Material, welches in einem einzigen Vorgang verarbeitet werden kann, zu bewerkstelligen.
  • Insbesondere wird als Umhüllungsmasse eine anorganische Masse verwendet. Die anorganische Umhüllungsmasse weist insbesondere einen wässrigen Bindemechanismus auf, wie er beispielsweise für Zement bekannt ist. Als Umhüllungsmasse kommen somit Zemente, insbesondere Derivate von in der Zahntechnik verwendeten Zahnzementen, in Betracht.
  • Die Umhüllungsmasse, z. B. Zement, kann mit entsprechenden elektrisch isolierenden, wärmeleitfähigen Füllstoffen angereichert sein, sodass die Umhüllungsmasse die Funktion der Umhüllung, der Wärmeableitung und der physischen Verbindung von auf einem Stanzgitter aufgebrachten Leistungshalbleiter und Bodenplatte erfüllt.
  • Insbesondere ermöglichen die physikochemischen Eigenschaften von Zementen die vorgenannten Zwecke.
  • So lässt sich der thermische Ausdehnungskoeffizient in der Größenordnung von 5 bis 10 ppm/K einstellen.
  • Die elektrische Isolationsfähigkeit von Zement kann ein wichtiger Parameter bei bestimmten Anwendungen sein, wie etwa denjenigen von Hochspannungshalbleitern, beispielweise derjenigen, die bei oder oberhalb von 600 V arbeiten. Es kann ein Vorteil sein, wenn die elektrische Isolationsfähigkeit des Zements in der gleichen Größenordnung wie die von keramischen Isolationsplatten liegt, wie etwa den Platten die im allgemein üblichen Direct Bonded Copper (DBC) Aufbau mit keramischen Platten aus, beispielsweise, Aluminiumoxid (Al2O3), Aluminiumnitrid (AlN) oder Siliciumnitrid (Si3N4) verwendet werden.
  • Die Wärmeleitfähigkeit von Zement ist bei Schichtdicken von 20 bis 200 µm vollkommen ausreichend, um einen Leadframe und eine Bodenplatte in hinreichenden thermischen Kontakt zu bringen.
  • Die Bodenplatte zum Ableiten der von dem Leistungshalbleiter abgegebenen Wärme, kann mit einer hohen Wärmekapazität eingerichtet sein und/oder zur Wärmespreizung beitragen. Die Bodenplatte kann dabei aus Metall, z.B. Kupfer (Cu) oder Aluminium (Al), oder einem sog. Metalmatrix-Material, insbesondere Aluminiumsiliziumcarbid (AlSiC), bestehen.
  • Darüber hinaus kann die Herstellung der Umhüllung und der Isolation von Leistungsmodulen mit einem Stanzgitter, einem auf dem Stanzgitter angeordneten Leistungshalbleiter und einer Bodenplatte zum Ableiten der vom Leistungshalbleiter abgegebenen Wärme in einem Schritt erfolgen, sodass eine anorganische Umhüllungsmasse sowohl Schutz- als auch Wärmeanbindungsfunktion gleichermaßen erfüllt.
  • Erfindungsgemäß ist also ein Leistungsmodul mit einem Stanzgitter, einem auf dem Stanzgitter angeordneten Leistungshalbleiter, einer Bodenplatte zum Ableiten der vom Leistungshalbleiter abgegebenen Wärme und einer das Stanzgitter und den Leistungshalbleiter umgebenden Umhüllungsmasse, die den Leistungshalbleiter und/oder das Stanzgitter mit der Bodenplatte physisch verbindet, vorgesehen.
  • Bevorzugt handelt es sich bei der Umhüllungsmasse um eine anorganische Masse, insbesondere Zement.
  • Allgemein weist die Umhüllungsmasse bevorzugt einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 5 bis 10 ppm/K auf.
  • Insbesondere ist der Aufbau des Leistungsmoduls derart, dass die Umhüllungsmasse eine zwischen dem Stanzgitter und der Bodenplatte angeordnete Schicht besitzt. Dabei weist diese zwischen dem Stanzgitter und der Bodenplatte angeordnete Schicht bevorzugt eine Dicke von 20 bis 200 µm auf.
  • Die Bodenplatte hingegen ist bevorzugt als Kühlkörper, beispielsweise als Luft- oder Wasserkühler, ausgebildet.
  • Ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls mit einem Stanzgitter, einem Leistungshalbleiter und einer Bodenplatte weist die Schritte Verbinden des Leistungshalbleiters mit dem Stanzgitter, und darauffolgend Umhüllen des mit dem Stanzgitter verbundenen Leistungshalbleiters mit einer Umhüllungsmasse unter gleichzeitigem physischen Verbinden der Bodenplatte mit der Umhüllungsmasse auf.
  • Dabei werden das Stanzgitter und die Bodenplatte relativ zueinander derart angeordnet, dass zwischen Stanzgitter und Bodenplatte eine Schicht Umhüllungsmasse mit einer Schichtdicke von bevorzugt 20 bis 200 µm ausgebildet wird, wobei die Umhüllungsmasse eine anorganische Masse, insbesondere Zement, ist.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens liegt darin, dass die Umhüllungsmasse allgemein einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 5 bis 10 ppm/K aufweist.
  • Die Erfindung wird anhand von in den Zeichnungen dargestellten besonders bevorzugt ausgestalteten Ausführungsbeispielen der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische, geschnittene Darstellung eines Leistungsmoduls nach der Erfindung; und
  • 2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung der Abfolge des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein besonders bevorzugt ausgestaltetes Leistungsmodul nach der Erfindung. Das Leistungsmodul 10 weist ein Stanzgitter (Leadframe) 20 und einen auf dem Stanzgitter 20 angeordneten Leistungshalbleiter 30 auf. Es versteht sich, dass auf dem Stanzgitter 20 auch eine Mehrzahl von Leistungshalbleitern und andere elektronische Bausteine angeordnet sein können.
  • Stanzgitter 20 und Leistungshalbleiter 30 sind von einer bevorzugt anorganischen Umhüllungsmasse 50 umgeben. Die Umhüllungsmasse 50 besitzt eine den auf dem Stanzgitter 20 angeordneten Leistungshalbleiter 30 mechanisch schützende und elektrisch isolierende Funktion. Darüber hinaus bewirkt die Umhüllungsmasse 50 eine Verbindung zwischen Stanzgitter 20 und Bodenplatte 40, sodass die Umhüllung von Stanzgitter 20 und Leistungshalbleiter 30 und die physische Anbindung der Bodenplatte 40 an die Umhüllungsmasse 50 in einem Arbeitsvorgang bewerkstelligt werden kann.
  • Hierzu wird – wie 2 in einem Flussdiagramm der hierfür notwendigen Arbeitsschritte zeigt – in einem ersten Schritt 100 zunächst das Stanzgitter 20 mit dem Leistungshalbleiter 30 verbunden. In einem zweiten Schritt 110 wird der mit dem Stanzgitter 20 verbundene Leistungshalbleiter 30 mit der Umhüllungsmasse 50 unter gleichzeitigem physischen Verbinden einer Bodenplatte 40 mit der Umhüllungsmasse 50 umgeben.
  • Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Bodenplatte 40 in eine Form eingesetzt und die Form mit Umhüllungsmasse 50 befüllt wird. Darauf wird das den Leistungshalbleiter 30 tragende Stanzgitter 20 in die flüssige Umhüllungsmasse 50 unter Beibehalten eines vorbestimmten Abstands zur Bodenplatte 40 abgesenkt. Nach dem (Aus-)Härten der Umhüllungsmasse 50 kann das fertige Leistungsmodul 10 der Form entnommen werden.
  • Alternativ kann die Bodenplatte 40 in eine Form eingesetzt werden, woraufhin das den Leistungshalbleiter 30 tragende Stanzgitter 20 unter Beibehalten eines vorbestimmten Abstands über der Bodenplatte 40 angeordnet und in dieser Position fixiert wird. Erst danach wird eine fließfähige Umhüllungsmasse 50 in die Form gegeben, die das den Leistungshalbleiter 30 tragende Stanzgitter 20 umfließt. Nach dem (Aus-)Härten der Umhüllungsmasse 50 ist das den Leistungshalbleiter 30 tragende Stanzgitter 20 vollständig von der Umhüllungsmasse 50 umgeben, wobei auch die Bodenplatte 40 mit der Umhüllungsmasse 50 physisch verbunden ist.
  • Schließlich ist es auch denkbar das den Leistungshalbleiter 30 tragende Stanzgitter 20 vollständig mit der Umhüllungsmasse 50, beispielsweise durch Tauchen, einzuhüllen und vor dem (vollständigen) Aushärten mit einer Bodenplatte 40 in Kontakt zu bringen. Hierzu könnte beispielsweise ein in Umhüllungsmasse 50 eingetauchtes Stanzgitter 20 zum Aushärten der Umhüllungsmasse 50 auf einer Bodenplatte 40 abgesetzt werden. Beim Aushärten der Umhüllungsmasse 50 wird sich die Umhüllungsmasse 50 – wie ein Kleber – mit der Bodenplatte 40 verbinden, sodass die Umhüllungsmasse 50 den Leistungshalbleiter 30 und/oder das Stanzgitter 20 mit der Bodenplatte 40 physisch verbindet.

Claims (12)

  1. Leistungsmodul mit – einem Stanzgitter, – einem auf dem Stanzgitter angeordneten Leistungshalbleiter, – einer Bodenplatte zum Ableiten der vom Leistungshalbleiter abgegebenen Wärme und – einer das Stanzgitter und den Leistungshalbleiter umgebenden Umhüllungsmasse, die den Leistungshalbleiter und/oder das Stanzgitter mit der Bodenplatte physisch verbindet.
  2. Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllungsmasse eine anorganische Masse ist.
  3. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllungsmasse Zement ist.
  4. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllungsmasse einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 5 bis 10 ppm/K aufweist.
  5. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllungsmasse eine zwischen dem Stanzgitter und der Bodenplatte angeordnete Schicht aufweist.
  6. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllungsmasse zwischen dem Stanzgitter und der Bodenplatte eine 20 bis 200 µm dicke Schicht aufweist.
  7. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte als Kühlkörper ausgebildet ist.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls mit einem Stanzgitter, einem Leistungshalbleiter und einer Bodenplatte, mit den Schritten: – Verbinden des Leistungshalbleiters mit dem Stanzgitter, – Umhüllen des mit dem Stanzgitter verbundenen Leistungshalbleiters mit einer Umhüllungsmasse unter gleichzeitiger physischer Anbindung der Bodenplatte an die Umhüllungsmasse.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Stanzgitter und Bodenplatte eine Schicht Umhüllungsmasse mit einer Schichtdicke von 20 bis 200 µm ausgebildet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllungsmasse eine anorganische Masse ist.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllungsmasse Zement ist.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllungsmasse einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 5 bis 10 ppm/K aufweist.
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