DE102016117776A1

DE102016117776A1 - Verfahren zum Herstellen einer Leistungsbaugruppe mit einem Halbleiter

Info

Publication number: DE102016117776A1
Application number: DE102016117776.8A
Authority: DE
Inventors: Klaus Olesen; Lars Paulsen; Michael Heydenreich; Rüdiger Bredtmann; Jeppe Lund; Aylin Bicakci; Jacek Rudzki; Frank Osterwald; Ronald Eisele
Original assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Current assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Priority date: 2016-09-21
Filing date: 2016-09-21
Publication date: 2017-10-05

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Leistungsbaugruppe mit einem Halbleiter durch Urformen eines elektrisch leitfähigen Materials, das den Halbleiter kontaktiert, und einem elektrisch isolierenden Material, das den Halbleiter und das elektrisch leitfähige Material zumindest teilweise umgibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Leistungsbaugruppe mit einem Halbleiter.
Leistungskomponenten werden typischerweise auf Substraten montiert, die einen isolierenden Träger (oft Keramik) und eine Metallschicht enthalten, die zur Bildung eines elektrischen Schaltkreises strukturiert ist.
Die Leistungskomponenten werden üblicherweise mittels Hilfsverbindungsmaterialien (z. B. Lötmittel, Klebstoffe oder Sinterpasten) an der strukturierten Metalloberfläche befestigt, wobei die Leistungsbaugruppen auch für Isolationszwecke und zum Schützen der Baugruppen umhüllt sind.
Derartige Umhüllungen können beispielsweise aus einer Rahmenstruktur mit einem Deckel bestehen, die zumindest teilweise mit einer weichen Silikonverbindung gefüllt ist oder bei der die Leistungsbaugruppe zumindest teilweise von einem festen elektrisch isolierenden Material (als Vergussmasse bezeichnet) umgeben ist. Dabei wird in dem zuletzt angegebenen Fall die äußere Gehäuseform in erster Linie durch das Werkzeugdesign des Formwerkzeuges bestimmt.
Alle bekannten Lösungen haben gemeinsam, dass verschiedene Funktionen (elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitung, mechanischer Schutz, Trägerfunktion etc.) mit extrem unterschiedlichen Materialien etabliert werden, die zusätzlich durch sehr komplexe Prozesse miteinander verbunden sind.
Daher ist eine solche Leistungsbaugruppe in ihrer Zusammensetzung und in Bezug auf die gewünschten Eigenschaften sehr inhomogen. Dabei ist beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit in Richtung der Unterseite der Leistungsbaugruppe zum Kühler besonders ausgeprägt, jedoch nicht in andere Richtungen.
Darüber hinaus machen die verschiedenen Materialien und Hilfsverbindungsmaterialien eine sehr große Anzahl von sehr spezialisierten Verarbeitungsschritten erforderlich und halten sie unter Kontrolle. Dies betrifft beispielsweise auch die Verfahren, die zum Herstellen von keramischen Schaltungsträgern, wie direkt kupfergebundenen (DCB) Trägern, dienen.
Daher besteht der Zweck der Erfindung darin, die Anzahl von Materialien, die für die Herstellung der Leistungsbaugruppen verwendet werden, zu verringern und die für ihre Verarbeitung erforderlichen Schritte zu minimieren, wodurch eine homogene Leistungsbaugruppe im größtmöglichen Umfang in Bezug auf deren Eigenschaften gebildet wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dar.
Grundgedanke der Erfindung ist es, eine Umhüllung von (Leistungs-)Bauelementen zu schaffen, die aus Kunststoffen (Polymeren) besteht, welche thermisch leitfähig oder elektrisch und thermisch leitfähig gefüllt sind. Dabei übernimmt das elektrisch und gleichermaßen thermisch leitfähig gefüllte Polymer die Aufgabe, das (Leistungs-)Bauelement elektrisch zu kontaktieren und elektrisch leitfähige Pfade in dessen Umhüllung zu bilden. Das thermisch leitfähig gefüllte, jedoch elektrisch isolierende Polymer übernimmt einerseits eine elektrisch isolierende Trägerfunktion für das (Leistungs-)Bauelement und die elektrisch leitenden Kontakte bzw. Pfade. Andererseits um hüllt dieses Polymer das (Leistungs-)Bauelement und die elektrisch leitenden Kontakte bzw. Pfade derart, dass die in den (Leistungs-)Bauelementen und den elektrisch leitenden Kontakten bzw. Pfaden generierte Verlustleistungswärme von ihrer Quelle über die äußere Umhüllung abtransportiert wird.
Das Leistungsbauelement (oder -elemente) wird mit einem durch Spritzgießen, 3D-Drucken, durch Heißprägung oder durch andere Verfahren hergestellten elektrisch leitfähigen Netz aus einem elektrisch leitfähig gefüllten Kunststoff (Polymer) verbunden. Das Netz erfüllt die elektrische Funktion eines Schaltungsträgers, ähnlich wie es ein Stanzgitter (oder Leadframe) täte. Die gegebenenfalls oberseitig auf dem Leistungsbauelement angebrachten Kontakte werden ebenfalls durch einen derartigen elektrisch leitfähigen Kunststoff gebildet, wobei das gleiche Herstellungsverfahren (Spritzgießen, 3D-Drucken, Heißprägung oder andere Verfahren) angewendet wird.
Elektrisch zu isolierende Strukturen werden aus einem thermisch leitfähig gefüllten, jedoch elektrisch isolierenden Kunststoff gebildet. Bevorzugt handelt es sich bei den verwendeten Kunststoffen um Kunststoffe sehr ähnlicher oder gleicher Zusammensetzung. Diese unterscheiden sich in ihren Haupteigenschaften nur durch unterschiedliche Füllstoffe.
Metallische Füllstoffe würden eine besonders hohe elektrische und zugleich thermische Leitfähigkeit ergeben. Beispielsweise würden keramische Füllstoffe (wie Aluminiumnitrid oder Bornitrid) jedoch für eine hohe Wärmeleitfähigkeit sorgen und zugleich elektrisch isolierend wirken.
Die Reihenfolge der Anwendung von elektrisch leitfähigen und elektrisch isolierenden (jedoch stets thermisch hochleitfähigen) Kunststoffen wird je nach Ausführungsform der Erfindung gewählt. Dieses soll im Folgenden dargestellt werden:
Ausgangspunkt für eine thermisch und teilweise elektrisch leitfähig umhüllte Leistungsbaugruppe kann ein durch eines der vorgenannten Herstellungsverfahren (Spritzgießen, 3D-Drucken, Heißprägung oder andere Verfahren) hergestellter Baugruppenträger (oder auch ein Substrat) sein. Dieser kann hinsichtlich seiner Formgebung und seiner Funktionen frei gewählt werden: so ist beispielsweise die Integration einer Kühlfunktion in den Baugruppenträger möglich oder eine 3-dimensionale Schaltungsstruktur kann besondere Funktionen der Systembaugruppe erfüllen (3-D MID; Molded Interconnect Device). Der oder die Leistungshalbleiter können entweder mit eingespritzt oder bedruckt werden oder sie können nachträglich durch Einprägen in den Kunststoff („Hot Embossing“) mit diesem verbunden werden. In allen diesen Fällen wird die direkte Haftung und „klebende“ Verbindung zwischen dem Leistungshalbleiter und dem Kunststoff genutzt ohne dass notwendigerweise ein zusätzlicher Verbindungshilfsstoff verwendet werden muss. Sollte ein Verbindungshilfsstoff genutzt werden, könnte dieser bevorzugt aus demselben Kunststoff gegebenenfalls mit anderen Füllstoffen oder anderem Füllgrad bestehen.
In einer sehr effektiven Variante können alle Kontakte des Leistungshalbleiters auf dessen Unterseite angeordnet sein (Flip Chip Kontaktierung). Dann würde sich eine Kontaktierungsebene auf der zweiten Hauptseite des Leistungshalbleiters erübrigen. Diese Bauform könnte z. B. bei lateralen Leistungsbauelementen, wie sie in Form von GaN-Bauelementen bekannt sind, genutzt werden.
Eine weitere Ausgestaltungsvariante kann auf dem o. g. Ausgangspunkt aufsetzen und durch weitere Umhüllung mit einem thermisch leitfähigen, elektrisch isolierenden Kunststoff für eine optimale Wärmeableitung aus dem Leistungshalbleiter sorgen. Der Kunststoff ist idealerweise wieder der gleiche wie der im Substrat verwendete Kunststoff.
Sollte der Leistungshalbleiter auf beiden Hauptseiten einen elektrischen Kontakt benötigen kann eine abwechselnde Folge von elektrisch leitfähigen und elektrisch isolierenden Schichten des Kunststoffes genutzt werden. Beispielhaft sei zur Erläuterung angeführt, dass ein Systemträger aus einem thermisch leitfähigen, elektrisch isolierenden Kunststoff geformt wird, der Kühlerstrukturen (für Luft- oder Flüssigkeitskühlung) enthält und gleichzeitig Gehäusefunktionen für die Systembaugruppe übernehmen kann. Auf diesen Träger wird ein elektrisch leitfähiger Kunststoff aufgebracht, welcher in der gewünschten Weise strukturiert ist, um die elektrische Schaltungsfunktion abzubilden. Die Leistungsbauelemente werden entweder direkt darauf angebracht, solange der Kunststoff noch nicht vernetzt ist (z. B. könnten die Halbleiter eingespritzt werden) oder die Leistungsbauelemente werden nachträglich durch Einprägen dort eingebracht. Anschließend wird wieder eine Lage elektrisch isolierenden Kunststoffs aufgebracht. Dieser wird ggf. so strukturiert, dass oberseitige Kontakte des Halbleiters zugänglich bleiben. In einer weiteren Lage werden diese Kontakte dann mit einem elektrisch leitfähigen Polymer kontaktiert. Zum Abschluss kann eine elektrisch Isolierende Schicht von Kunststoff für die Gehäuseisolierung sorgen. Außenkontakte der Baugruppe werden jedoch durch nach außen geführte leitfähige Pfade des elektrisch leitfähigen Kunststoffes gebildet.
In einer besonders radikalen Ausgestaltungsvariante wird der Leistungshalbleiter selbst aus unterschiedlich leitenden bzw. halbleitenden Kunststoffschichten hergestellt und von elektrisch leitenden und elektrisch nicht leitenden Kunststoffschichten umgeben.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Leistungsbaugruppe mit einem Halbleiter durch Urformen eines elektrisch leitfähigen Materials, das den Halbleiter kontaktiert, und eines elektrisch isolierenden Materials, das den Halbleiter und das elektrisch leitfähige Material zumindest teilweise umgibt.
Alle Herstellungsverfahren werden hier als Urformen verstanden, bei denen ein Festkörper aus einem formlosen Material hergestellt wird. Alle Grundstoffe können in flüssigem, gasförmigem, körnigem oder pulverförmigem Zustand eingesetzt werden, so dass sie hinsichtlich ihres rheologischen Verhaltens variieren. Durch die verschiedenen Kombinationen einzelner Methoden wird zwischen der Elektroform-, Pulvermetallurgie- und Gießtechnik unterschieden. Darüber hinaus gehört auch das Rapid Prototyping zu den primären Methoden – Beispiele hierfür sind das Fused Deposition Modeling (FDM), die laminierte Objektherstellung (laminated object manufacturing: LOM), die Multi-Jet-Modellierung (multi-jet modelling MJM), das selektive Laserschmelzen, das selektive Lasersintern (SLS).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden das Urformen des elektrisch leitfähigen Materials, das mit den Halbleiter kontaktiert, und das Urformen des elektrisch isolierenden Materials mittels des gleichen primären Urformverfahrens durchgeführt.
Vorzugsweise erfolgt das Urformen mittels Spritzgießen, Rapid Prototyping und/oder Heißprägen.
Weiterhin ist das elektrisch leitfähige Material und/oder das elektrisch isolierende Material vorzugsweise ein Polymer.
Einerseits ist besonders bevorzugt, dass das elektrisch leitfähige Material ein Polymer mit einem metallischen Füllstoff ist.
Andererseits ist besonders bevorzugt, dass das elektrisch isolierende Material ein Polymer mit einem keramischen Füllstoff ist.
Weitern ist besonders bevorzugt, dass das elektrisch isolierende Material auch wärmeleitend ist.
Schließlich wird der Halbleiter vorzugsweise durch Urformen verschiedener elektrisch leitfähiger Materialien und eines elektrisch isolierenden Materials hergestellt, wobei besonders bevorzugt ist, dass die Herstellung des Halbleiters und die Herstellung der Leistungsbaugruppe in einem Schritt erfolgt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen kurz erläutert.
Als ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeigt 1 eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Leistungsbaugruppe. Die Leistungsbaugruppe 100 weist auf ihrer Oberseite und ihrer Unterseite jeweils einen als Abschlussplatte 10, 40 ausgebildeten flächigen Abschnitt auf, der insbesondere elektrisch nicht leitend ausgebildet ist und ebenfalls durch Urformen hergestellt sein kann. Die Abschlussplatten 10, 40 können insbesondere Teil des Gehäuses sein und auf ihren Oberflächen in das Innere des Leistungsbausteins 100 führende elektrische Kontaktierungen aufweisen (nicht dargestellt).
Im Inneren des Leistungsbaugruppe 100 ist ein Halbleiter 50 zu erkennen, der auf seiner Ober- und seiner Unterseite von einem elektrisch leitfähigen Werkstoff 20 kontaktiert ist. An die Seiten des Halbleiters 50 und an den oberen und den unteren Bereich des elektrisch leitfähigen Werkstoffs 20 grenzt ein elektrisch nicht leitender Werkstoff 30 an, der besonders bevorzugt thermisch leitend ist.
Beide Werkstoffe 20, 30 sind mit einem Urformverfahren, beispielsweise durch ein im Rapid Prototyping verwendetes Verfahren behandelt und ausgeformt.
Die Erfindung eröffnet ein neues Herstellungsverfahren und die Auslegung von Strukturen, die mit herkömmlichen Verfahren nicht realisierbar sind.
2 stellt das allgemeine Konzept der Erfindung kurz dar. In einem ersten Schritt 200 wird ein Halbleiter bereitgestellt. In einem zweiten Schritt werden das Urformen eines elektrisch leitfähigen Materials, das mit dem Halbleiter verbunden ist, und das Urformen eines elektrisch isolierenden Materials, das den Halbleiter und das elektrisch leitfähige Material zumindest teilweise umgibt, durchgeführt.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Leistungsbaugruppe mit einem Halbleiter durch Urformen eines elektrisch leitfähigen Materials, das den Halbleiter kontaktiert, und eines elektrisch isolierenden Materials, das den Halbleiter und das elektrisch leitfähige Material zumindest teilweise umgibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Urformen des den Halbleiter kontaktierenden elektrisch leitfähigen Materials und das Urformen des elektrisch isolierenden Materials mittels des gleichen Urformverfahrens erfolgen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Urformen mittels Spritzgießen, Rapid Prototyping und/oder Heißprägen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material und/oder das elektrisch isolierende Material ein Polymer ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material ein Polymer mit einem metallischen Füllstoff ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Material ein Polymer mit einem keramischen Füllstoff ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Material auch wärmeleitend ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiter durch Urformen verschiedener elektrisch leitfähiger Materialien und einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Halbleiters und die Herstellung der Leistungsbaugruppe in einem Schritt erfolgen.