DE102020112276A1

DE102020112276A1 - Leistungsmodul

Info

Publication number: DE102020112276A1
Application number: DE102020112276.4A
Authority: DE
Inventors: Matthias Beck; Klaus Olesen
Original assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Current assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Priority date: 2020-05-06
Filing date: 2020-05-06
Publication date: 2021-11-11
Also published as: WO2021224265A1

Abstract

Es wird ein Halbleiter-Leistungsmodul beschrieben, das eine Vielzahl von Leistungsmodulkomponenten umfasst, die auf einem Substrat befestigt sind, wobei das Substrat einen ersten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt, auf dem die Leistungsmodulkomponenten befestigt sind, und einen zweiten, elektrisch verhältnismäßig isolierenden Abschnitt, auf dem der erste Abschnitt befestigt ist, umfasst. Der erste (verhältnismäßig leitende) Abschnitt des Substrats ist auf einer ersten Oberfläche des zweiten (verhältnismäßig isolierenden) Abschnitts befestigt, und der erste Abschnitt hat ein Dickenprofil, das in einer Richtung parallel zur ersten Oberfläche variiert.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Beschreibung bezieht sich auf ein Halbleiter-Leistungsmodul.
Technischer Hintergrund
Ein Halbleiter-Leistungsmodul kann eine oder mehrere wärmeerzeugende Komponenten umfassen, die auf einem Substrat befestigt sind. Das Substrat dient als mechanischer Träger für das Leistungsmodul und kann auch andere Funktionen, wie Wärmeübertragung und elektrische Verbindungen, übernehmen. Das Substrat kann Abmessungen haben, die durch den Bedarf der Wärmeübertragung vorgegeben sind. Obwohl viele Leistungsmodul-Konfigurationen bekannt sind, besteht in diesem Bereich noch Bedarf an weiteren Entwicklungen.
Kurzbeschreibung
In einer ersten Ausführungsform beschreibt diese Beschreibung ein Halbleiter-Leistungsmodul, das eine Vielzahl von Leistungsmodulkomponenten umfasst, die auf einem Substrat (z.B. einem direkt gebundenen Kupfersubstrat) befestigt sind, wobei das Substrat einen ersten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt, auf dem die Leistungsmodulkomponenten befestigt sind, und einen zweiten, elektrisch verhältnismäßig isolierenden Abschnitt, auf dem der erste Abschnitt befestigt ist, umfasst, wobei der erste Abschnitt des Substrats auf einer ersten Oberfläche des zweiten Abschnitts befestigt ist und der erste Abschnitt ein Dickenprofil aufweist, das in einer Richtung parallel zur ersten Oberfläche variiert.
Mindestens ein Teil des ersten Abschnitts des Substrats kann von dem zweiten Abschnitt des Substrats hervorragen. Alternativ kann eine freiliegende Oberfläche des ersten Abschnitts, auf der die Leistungsmodulkomponenten befestigt sind, bündig zu der ersten oder einer zweiten Oberfläche des zweiten Abschnitts des Substrats sein.
In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann der erste Abschnitt des Substrats zumindest teilweise in den zweiten Abschnitt des Substrats eingebettet sein.
Das Dickenprofil des ersten Abschnitts des Substrats kann so eingestellt werden, dass es eine oder mehrere der folgenden Anforderungen erfüllt: eine Anforderung an die elektrische Leitfähigkeit (z.B. ein elektrischer Leistungsbedarf von einem oder mehreren auf dem Substrat befestigten Leistungsmodulbauteilen); eine Anforderung an die Wärmeleitfähigkeit (z.B. Anforderungen an die Wärmeableitung von einem oder mehreren auf dem Substrat befestigten Leistungsmodulbauteilen); und/oder eine Zuverlässigkeitsanforderung (z.B. Zuverlässigkeitsanforderungen von einem oder mehreren auf dem Substrat befestigten Leistungsmodulbauteilen).
Der zweite Abschnitt des Substrats kann Kanäle für den Durchgang eines Kühlmittels aufweisen. Ferner kann der erste Abschnitt des Substrats in einer beispielhaften Ausführungsform Erweiterungen in den zweiten Abschnitt umfassen, die in unmittelbarer Nähe von mindestens einigen der Kanäle enden.
In einer zweiten Ausführungsform beschreibt diese Beschreibung ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Leistungsmoduls, wobei das Halbleiter-Leistungsmodul eine Vielzahl von Leistungsmodulkomponenten umfasst, die auf einem Substrat (wie einem direkt gebundenen Kupfersubstrat) befestigt sind, wobei das Substrat einen ersten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt umfasst, auf dem die Leistungsmodulkomponenten befestigt sind, und einen zweiten, elektrisch verhältnismäßig isolierenden Abschnitt, auf dem der erste Abschnitt befestigt ist, wobei der erste Abschnitt des Substrats auf einer ersten Oberfläche des zweiten Abschnitts befestigt ist, wobei das Verfahren umfasst: Ausbilden des ersten Abschnitts des Substrats (zum Beispiel unter Verwendung von additiven Herstellungsverfahren und/oder Kaltgasspritzen), so dass der erste Abschnitt ein Dickenprofil aufweist, das in einer Richtung parallel zur ersten Oberfläche variiert. Das Verfahren kann die Modifizierung des ersten Abschnitts umfassen, um das Dickenprofil des ersten Abschnitts zu erzeugen.
Mindestens ein Teil des ersten Abschnitts des Substrats kann von den zweiten Abschnitt des Substrats hervorragen. Alternativ kann eine freiliegende Oberfläche des ersten Abschnitts, auf der die Leistungsmodulkomponenten befestigt sind, bündig zu der ersten oder einer zweiten Oberfläche des zweiten Abschnitts des Substrats sein. In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann der erste Abschnitt des Substrats zumindest teilweise in den zweiten Abschnitt des Substrats eingebettet sein.
Das Verfahren kann die Bildung des zweiten Abschnitts des Substrats unter Verwendung additiver Herstellungsverfahren umfassen.
Einige beispielhafte Ausführungsformen umfassen ferner die Bildung einer isolierenden Abdeckung für die Leistungsmodulkomponenten unter Verwendung von additiven Herstellungsverfahren.
In einer dritten Ausführungsform beschreibt diese Beschreibung ein Verfahren zum Entwerfen eines Halbleiter-Leistungsmoduls, wie es oben mit Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben ist (oder wie es in Übereinstimmung mit dem Verfahren irgendeines Aspekts der zweiten Ausführungsform gebildet wird), wobei das Verfahren umfasst: Modellieren thermischer und/oder elektrischer Eigenschaften des Halbleiter-Leistungsmoduls bei jedem einer Vielzahl von Dickenprofilen des ersten Abschnitts des Substrats; und Auswählen eines gewünschten Dickenprofils für den ersten Abschnitt des Substrats in Abhängigkeit von den Ergebnissen der Modellierung.
In einer vierten Ausführungsform beschreibt diese Beschreibung computerlesbare Instruktionen, die, wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, (mindestens) irgendein Verfahren auszuführen, wie es mit Bezug auf den zweiten Aspekt beschrieben ist.
In einer fünften Ausführungsform beschreibt diese Beschreibung ein computerlesbares Medium (z.B. ein dauerhaft computerlesbares Medium) mit darauf gespeicherten Programmbefehlen zur Durchführung (mindestens) eines beliebigen Verfahrens, wie es unter Bezugnahme auf den zweiten Aspekt beschrieben ist.
In einer sechsten Ausführungsform beschreibt diese Beschreibung eine Vorrichtung, die folgendes umfasst: mindestens einen Prozessor; und mindestens einen Speicher mit einem Computerprogrammcode, der, wenn er von dem mindestens einen Prozessor ausgeführt wird, bewirkt, dass die Vorrichtung (mindestens) irgendein Verfahren ausführt, wie es unter Bezugnahme auf den zweiten Aspekt beschrieben ist.
In einer siebten Ausführungsform beschreibt diese Beschreibung ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Leistungsmoduls, wie es oben mit Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben ist (oder wie es in Übereinstimmung mit dem Verfahren irgendeines Aspekts der zweiten Ausführungsform gebildet wird), wobei zumindest ein Teil des Halbleiter-Leistungsmoduls durch additive Herstellung gebildet wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines computerlesbaren Mediums mit computerausführbaren Befehlen, die geeignet sind, einen 3D-Drucker oder eine additive Herstellungsvorrichtung zu veranlassen, das Halbleiter-Leistungsmodul herzustellen; und Herstellen des Halbleiter-Leistungsmoduls unter Verwendung des 3D-Druckers oder der additiven Herstellungsvorrichtung.
In einer achten Ausführungsform beschreibt diese Beschreibung ein computerlesbares Medium mit computerausführbaren Befehlen, die geeignet sind, einen 3D-Drucker oder eine additive Herstellungsvorrichtung zu veranlassen, einen Teil oder die Gesamtheit eines Halbleiter-Leistungsmoduls herzustellen, wie es oben mit Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben ist (oder wie es in Übereinstimmung mit dem Verfahren irgendeines Aspekts der zweiten Ausführungsform hergestellt wird).
Figurenliste
Die beispielhaften Ausführungsformen werden im Folgenden anhand der folgenden schematischen Zeichnungen lediglich beispielhaft beschrieben, in denen

1 ein Querschnitt eines beispielhaften Halbleiterbauteils ist;
2 ein Schaltplan eines beispielhaften Wechselrichters ist;
3 ein Querschnitt eines Halbleiter-Leistungsmoduls gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist;
4 ein Flussdiagramm ist, das einen Algorithmus gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt,
5 bis 8 Querschnitte von Halbleiterbauelementen gemäß beispielhaften Ausführungsformen sind;
9 ein Flussdiagramm ist, das einen Algorithmus gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt,
10 bis 15 Querschnitte von Halbleiterkomponenten in Übereinstimmung mit beispielhaften Ausführungsformen sind; und
16 und 17 Flussdiagramme sind, die Algorithmen in Übereinstimmung mit beispielhaften Ausführungsformen zeigen.

Detaillierte Beschreibung
Der Schutzumfang, der für verschiedene Ausführungsformen der Erfindung angestrebt wird, ist in den unabhängigen Ansprüchen festgelegt. Die in der Beschreibung beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale, falls vorhanden, die nicht in den Anwendungsbereich der unabhängigen Ansprüche fallen, sind als Beispiele zu verstehen, die zum Verständnis der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung beitragen.
In der Beschreibung und in den Zeichnungen beziehen sich gleichartige Ziffern durchgehend auf gleichartige Elemente.
1 ist ein Querschnitt eines Beispiel-Halbleitermoduls (z.B. eines Halbleiter-Leistungsmoduls), das allgemein durch die Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Das Halbleitermodul 10 weist ein Substrat 11 und ein oder mehrere Halbleiterkomponenten 12 (z.B. Leistungsmodul-komponenten) auf.
Im Beispiel-Modul 10 ist das Substrat 11 ein direkt gebundenes Kupfersubstrat (DBC), das zwei leitende Schichten (z.B. Metallschichten) mit einer dazwischen liegenden Isolierschicht aufweist. Im Beispiel umfasst das Substrat 11 eine obere Metallschicht 13 und eine untere Metallschicht 15 sowie eine Isolierschicht 14. (Es ist zu beachten, dass das Substrat als ein direkt kupfergebundenes (DCB) Substrat bezeichnet werden kann - die Begriffe DBC und DCB sind im Allgemeinen austauschbar).
Das Substrat 11 kann ein DBC-Substrat sein, das einen keramischen elektrischen Isolator mit Kupferschichten auf beiden Seiten aufweist. Die obere Metallschicht 13 (z.B. obere Kupferschicht) im Halbleitermodul 10 kann die für das Halbleitermodul erforderlichen Schaltungen bilden, wie weiter unten erläutert wird. Andere mögliche Substrate weisen DBA (direkt gebundenes Aluminium) auf.
Die Metallschichten 13 und 15 können aus Kupfer, Aluminium oder anderen in diesem Bereich gebräuchlichen Legierungen gebildet werden. Die Isolierschicht 14 kann ein beliebiges Isoliermaterial sein. Beispiele für Keramikschichten, die als Isolierschicht 14 verwendet werden können, sind unten aufgeführt, wobei dem Fachmann Alternativen bekannt sind:

• Aluminiumoxid (A1203), das wegen seiner niedrigen Kosten weit verbreitet ist. Es ist jedoch kein besonders guter Wärmeleiter (24-28 W/mK) und ist spröde.
• Aluminiumnitrid (AIN), das zwar teurer ist, aber eine weitaus bessere thermische Leistung (> 150 W/mK) aufweist.
• Berylliumoxid (BeO),

Die auf dem Substrat 11 befestigten Halbleiterbauelemente 12 können Halbleiterbauelemente wie Transistoren, IGBTs, MOSFETs und andere Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten enthalten, die zusammen die Schaltungen eines Halbleitermoduls zum Schalten elektrischer Ströme bilden (z.B. ein Leistungsmodul).
2 ist zum Beispiel ein Schaltplan einer Beispiel-Wechselrichterschaltung, die allgemein durch das Bezugszeichen 20 bezeichnet ist und die verwendet werden kann, um den Schaltkreis eines Halbleiter-Leistungsmoduls zu bilden. Dem Fachmann sind viele alternative Schaltungen bekannt, die verwendet werden könnten.
3 ist ein Querschnitt eines Halbleiter-Leistungsmoduls, das allgemein durch das Bezugszeichen 30 bezeichnet ist, in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform.
Das Halbleiter-Leistungsmodul 30 weist ein Substrat 31 mit darauf befestigten Leistungsmodulkomponenten 32, wie z.B. den oben beschriebenen Komponenten des Wechselrichters 20, auf. (Der Übersichtlichkeit halber ist in 3 eine einzelne Leistungsmodul-Komponente dargestellt, wobei typischerweise jedoch mehrere Leistungsmodul-Komponenten vorgesehen sind). Das Substrat 31 umfasst einen ersten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt 33, auf dem die Leistungsmodulkomponenten befestigt sind, und einen zweiten, elektrisch verhältnismäßig isolierenden Abschnitt 34, auf dem der erste Abschnitt befestigt ist, wobei der erste Abschnitt des Substrats auf einer ersten Oberfläche des zweiten Abschnitts befestigt ist und der erste Abschnitt ein Dickenprofil aufweist, das in einer Richtung parallel zu der ersten Oberfläche variiert. Beim Leistungsmodul 30 steht ein Teil oder die Gesamtheit des ersten Abschnitts des Substrats von dem zweiten Abschnitt des Substrats hervor.
Das Substrat 31 kann einen dritten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt 35 umfassen (wie in 3 dargestellt). Zum Beispiel kann das Substrat 31 ein direkt gebundenes Kupfersubstrat sein, wie oben mit Bezug auf 1 besprochen.
Die Leistungsmodul-Komponenten 32 können auf dem Substrat 31 durch Löten, Sintern oder andere ähnliche Techniken befestigt werden.
Der erste Abschnitt 33 des Substrats 31 (auf dem die Leistungsmodul-Komponenten befestigt sind) kann für die Stromleitung zu und von den Leistungsmodul-Komponenten verwendet werden, die darauf befestigt sind. Prozesse wie Ätzen können verwendet werden, um den ersten Abschnitt 33 zu mehreren Leitern für die Verbindung der Komponenten auszubilden. Dies bildet die Schaltung des Halbleiter-Leistungsmoduls aus.
Der dritte Abschnitt 35 (falls vorgesehen) kann gekühlt werden, so dass die von den Leistungsmodulkomponenten erzeugte Wärme vom Modul weggeleitet werden kann. Wie unten erläutert, kann die Kühlung über Kühlkanäle erfolgen. Es sind jedoch auch andere Kühloptionen, wie Kühlkörper und Wärmeleiter, möglich, was für den Fachmann leicht ersichtlich ist.
Wie in 3 gezeigt (und unten im Detail beschrieben) wird der erste Abschnitt 33 des Substrats 31 mit einer unterschiedlichen Dicke ausgebildet.
4 ist ein Flussdiagramm, das einen Algorithmus zeigt, der allgemein durch das Bezugszeichen 40 bezeichnet ist, in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform.
Der Schritt 44 des Algorithmus 40 umfasst die Ausbildung eines ersten Abschnitts des Substrats (wie der oben beschriebene erste Abschnitt 33 des Substrats 31), so dass der erste Abschnitt ein Dickenprofil aufweist, das in einer Richtung parallel zur ersten Oberfläche variiert. Die Schicht des ersten Teils könnte mit Hilfe additiver Herstellungstechniken (z.B. durch 3D-Druck) erzeugt werden. Tatsächlich könnte das gesamte Substrat 3D-gedruckt werden.
Der Algorithmus 40 enthält einen optionalen Schritt 42, in dem ein Dickenprofil des ersten Abschnitts 33 des Substrats 31 eingestellt werden kann.
Das Dickenprofil des ersten Abschnitts des Substrats könnte auf der Grundlage vieler verschiedener Anforderungen eingestellt werden. Zu den Faktoren, die relevant sein könnten, gehören einer oder mehrere der folgenden:

• eine Anforderung an die elektrische Leitfähigkeit (z.B. ein elektrischer Leistungsbedarf von Leistungsmodulbauteilen, die auf dem Substrat befestigt sind);
• eine Anforderung an die Wärmeleitfähigkeit (z.B. Anforderungen an die Wärmeableitung von auf dem Substrat befestigten Leistungsmodulbauteilen); und/oder
• Eine Zuverlässigkeitsanforderung (z.B. Zuverlässigkeitsanforderungen von auf dem Substrat befestigten Leistungsmodulbauteilen).

So kann z.B. die Dicke der Schicht 33 so bemessen sein, dass sie für die Schaltung an dieser Stelle ausreicht, aber nicht darüber hinausgeht, was erforderlich ist. Die Anforderung kann durch die Strombelastbarkeit des jeweiligen Leiters, der durch die Metallschicht an diesem Punkt gebildet wird, bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Anforderung durch die Ableitung von Wärme von den wärmeerzeugenden Komponenten, die auf der Metallisierungsschicht der Oberseite befestigt sind, bestimmt werden. In anderen Ausführungsformen können Dickenänderungen ausgebildet werden, um die Zuverlässigkeit des Moduls zu erhöhen, z.B. wenn „Grübchen“ oder andere Strukturen (z.B. Kerben) in der Metallisierungsschicht ausgebildet werden, um Spannungen während des Betriebs abzubauen.
5 bis 8 veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen von Halbleiter-Leistungsmodulen 50, 60, 70 und 80, die eine Metallisierung der Oberseite mit variablen Dicken entsprechend den beispielhaften Ausführungsformen zeigen.
5 ist ein Querschnitt des Halbleiter-Leistungsmoduls 50 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Das Halbleiter-Leistungsmodul 50 besteht aus einem Substrat 51 mit darauf befestigten Leistungsmodulkomponenten 52. Das Substrat 51 umfasst einen ersten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt 53, auf dem die Leistungsmodulkomponenten befestigt sind; einen zweiten, elektrisch verhältnismäßig isolierenden Abschnitt 54, auf dem der erste Abschnitt befestigt ist; und kann einen dritten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt 55 umfassen.
6 ist ein Querschnitt des Halbleiter-Leistungsmoduls 60 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Das Halbleiter-Leistungsmodul 60 weist ein Substrat 61 mit darauf befestigten Leistungsmodulkomponenten 62 auf. Das Substrat 61 umfasst einen ersten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt 63, auf dem die Leistungsmodulkomponenten befestigt sind; einen zweiten, elektrisch verhältnismäßig isolierenden Abschnitt 64, auf dem der erste Abschnitt befestigt ist; und kann einen dritten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt 65 umfassen.
7 ist ein Querschnitt des Halbleiter-Leistungsmoduls 70 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Das Halbleiter-Leistungsmodul 70 weist ein Substrat 71 mit darauf befestigten Leistungsmodulkomponenten 72 auf. Das Substrat 71 umfasst einen ersten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt 73, auf dem die Leistungsmodulkomponenten befestigt sind; einen zweiten, elektrisch verhältnismäßig isolierenden Abschnitt 74, auf dem der erste Abschnitt befestigt ist; und kann einen dritten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt 75 umfassen. Die Leistungsmodulkomponenten 72 sind in einem Verkapselungsstoff 76 eingekapselt.
8 ist ein Querschnitt durch das Halbleiter-Leistungsmodul 80 nach einer beispielhaften Ausführungsform. Das Halbleiter-Leistungsmodul 80 weist ein Substrat 81 mit darauf befestigten Leistungsmodulkomponenten 82 auf. Das Substrat 81 umfasst einen ersten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt 83, auf dem die Leistungsmodulkomponenten befestigt sind, einen zweiten, elektrisch verhältnismäßig isolierenden Abschnitt 84, auf dem der erste Abschnitt befestigt ist, und kann einen dritten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt 85 umfassen. Der erste Teil 83 enthält Kerben (im Allgemeinen durch die Bezugszeichen 86a und 86b bezeichnet). Zum Beispiel können die Kerben 86 niedrigere Spannungsniveaus (z.B. Spannungsfelder) in der Isolierschicht ermöglichen, so dass das Substrat 81 eine höhere Qualität und Festigkeit haben kann. Im Gebrauch sind Halbleiter-Leistungsmodule typischerweise zyklischen Temperaturschwankungen der verschiedenen Komponenten in ihnen ausgesetzt. Solche Temperaturänderungen können zu unterschiedlichen Ausdehnungen in Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten führen, wodurch Spannungen auftreten. Solche Spannungen können zur Bildung von Rissen oder zumindest zur Delaminierung zwischen verschiedenen Materialien führen. Solche Schäden sind oft der Grund für das Versagen eines Bauteils, und dies zu vermeiden ist wichtig, um die Zuverlässigkeit eines Halbleiter-Leistungsmoduls zu erhöhen. Das Vorhandensein von Kerben (wie z.B. der Kerben 86a und 86b) kann die Scherspannung verringern, die durch den Unterschied in der thermischen Ausdehnung zwischen dem verhältnismäßig leitenden und dem verhältnismäßig isolierenden Abschnitt verursacht wird. Sie kann auch die Scherspannung verringern, die durch Unterschiede in den thermischen Ausdehnungen des verhältnismäßig leitenden Abschnitts und einer Verkapselung, die den verhältnismäßig leitenden Abschnitt einkapselt, verursacht wird.
Daher sind die Halbleiter-Leistungsmodule 50, 60, 70 und 80 ähnlich wie das oben beschriebene Leistungsmodul 30.
Beim Halbleiter-Leistungsmodul 50 ist eine freiliegende Oberfläche des ersten Abschnitts 52 des Substrats 51 bündig zu einer Oberfläche des zweiten Abschnitts des Substrats.
Bei den Halbleiter-Leistungsmodulen 50, 60 und 70 ist der erste Abschnitt des Substrats in den zweiten Abschnitt des Substrats eingebettet.
Die Halbleiter-Leistungsmodule können teilweise oder vollständig in das Substrat eingebettet sein. Beim Leistungsmodul 60 beispielsweise sind die Leistungsmodulkomponenten 62 in den ersten Abschnitt des Substrats eingebettet, so dass die Leistungsmodulkomponenten bündig mit der Oberfläche des Substrats abschließen.
9 ist ein Flussdiagramm, das einen Algorithmus zeigt, der allgemein durch das Bezugszeichen 90 entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform bezeichnet ist.
Der Algorithmus 90 beginnt mit einem optionalen Schritt 91, bei dem ein Dickenprofil eines ersten (elektrisch verhältnismäßig leitenden) Abschnitts (z.B. obere Metallschicht) eines Substrats eingestellt wird (ähnlich dem oben beschriebenen Schritt 42). Alternativ kann das Dickenprofil auch extern abgerufen werden, anstatt eingestellt zu werden. Es ist zu beachten, dass die Dicke und/oder die Dickenprofile anderer Abschnitte des Substrats ebenfalls im Schritt 91 eingestellt werden können.
Als nächstes wird im Schritt 92 ein zweiter (elektrisch verhältnismäßig isolierender) Abschnitt gebildet, der z.B. auf einen dritten (verhältnismäßig leitenden) Abschnitt (z.B. einer unteren Metallschicht) eines Substrats befestigt wird.
Bei einem optionalen Schritt 93 kann der zweite Abschnitt so modifiziert werden, dass der zweite Abschnitt ein Dickenprofil aufweist, das in einer Richtung parallel zu einer ersten Oberfläche des zweiten Abschnitts variiert. Zum Beispiel kann der zweite Abschnitt modifiziert werden, indem der zweite Abschnitt zunächst mit einem konstanten Dickenprofil ausgebildet wird (z.B. im Schritt 92) und dann selektiv geätzt wird, um ein variables Dickenprofil zu erzeugen. Alternativ kann dieser Modifizierungsschritt weggelassen werden, indem der zweite Abschnitt so ausgebildet wird (z.B. mit 3D-Druck; im Schritt 92), dass der zweite Abschnitt ein Dickenprofil aufweist, das in einer Richtung parallel zur ersten Oberfläche des zweiten Abschnitts variiert. In einer weiteren Ausführung kann der zweite Abschnitt eine flache obere Oberfläche haben, so dass keine Formung des zweiten Abschnitts erforderlich ist.
Im Schritt 94 wird der erste Abschnitt des Substrats so ausgebildet, dass der erste Abschnitt auf die erste Oberfläche des zweiten Abschnitts befestigt wird.
In einem optionalen Schritt 95 kann der erste Abschnitt so modifiziert werden, dass der erste Abschnitt ein Dickenprofil aufweist, das in einer Richtung parallel zur ersten Oberfläche variiert. Zum Beispiel kann der erste Abschnitt modifiziert werden, indem zunächst der erste Abschnitt mit einem konstanten Dickenprofil ausgebildet wird (z.B. im Schritt 94) und dann der erste Abschnitt selektiv geätzt (oder anderweitig modifiziert) wird, um ein variables Dickenprofil zu erzeugen (z.B. durch Ausbilden dünnerer Abschnitte an ausgewählten Punkten).
Alternativ kann der erste Abschnitt im Schritt 94 z.B. durch 3D-Drucken ausgebildet werden, so dass der erste Abschnitt ein Dickenprofil aufweist, das in einer Richtung parallel zur ersten Oberfläche variiert. In diesem Fall kann die Modifikation im Schritt 95 weggelassen werden.
Alternativ kann der erste Abschnitt im Schritt 94 ausgebildet werden, z.B. durch Kaltgasspritzen, so dass der erste Abschnitt ein Dickenprofil aufweist, das in einer Richtung parallel zur ersten Oberfläche variiert. Das Kaltgasspritzen kann z.B. iterativ umgeformt werden, so dass ein oder mehrere Teilabschnitte des ersten Abschnitts abgedeckt werden können, wenn die Teilabschnitte die gewünschte Dicke erreicht haben. In diesem Fall kann die Modifikation im Schritt 95 weggelassen werden.
10 bis 15 zeigen verschiedene Ausführungsformen von Halbleiter-Leistungsmodulen 100, 110, 120, 130, 140 und 150, die eine Metallisierung der Oberseite mit variablen Dicken gemäß beispielhaften Ausführungsformen zeigen. In jedem der Leistungsmodule 100, 110, 120, 130, 140 und 150 sind Kühlkanäle in die Isolationsschicht des Substrats integriert. Die Kühlkanäle (wie z.B. der in 10 angegebene Kühlkanal 106) können den Durchgang eines Kühlmittels, wie z.B. einer Kühlflüssigkeit, ermöglichen.
Die Leistungsmodule 100, 110, 120, 130 und 140 ähneln den oben beschriebenen Leistungsmodulen 30, 50, 60, 70 bzw. 80 und werden im Folgenden nicht weiter erörtert.
Beim Leistungsmodul 150 umfasst ein erster Abschnitt 153 des Substrats Erweiterungen in den zweiten Abschnitt 154, die in unmittelbarer Nähe mit mindestens einigen einer Vielzahl von Kühlkanälen 156 innerhalb des zweiten Abschnitts enden. Das Leistungsmodul 150 kann daher eine effizientere Wärmeübertragung von den Komponenten des Leistungsmoduls an das Kühlmittel durch die Kühlkanäle ermöglichen.
16 ist ein Flussdiagramm, das einen Algorithmus zeigt, der allgemein durch das Bezugszeichen 160 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform bezeichnet wird.
Der Algorithmus 160 beginnt mit dem Schritt 162, bei der die thermischen und/oder elektrischen Eigenschaften des Halbleiter-Leistungsmoduls bei einer Vielzahl von Dickenprofilen des ersten Abschnitts modelliert werden. Die Modellierung kann zum Beispiel mit Hilfe von 3D-Simulationen durchgeführt werden, um das optimale Dickenprofil über den ersten Abschnitt zu bestimmen. Die Simulation kann verschiedene Dickenprofile anwenden, um ein Dickenprofil zu bestimmen, das optimale thermische und/oder elektrische Eigenschaften bietet (z.B. elektrische Wärmeerzeugung, Wärmefluss usw.).
Als nächstes wird im Schritt 164 ein gewünschtes Dickenprofil für den ersten Abschnitt in Abhängigkeit von den Ergebnissen der genannten Modellierung ausgewählt. Zum Beispiel kann ein Dickenprofil, das optimale thermische und/oder elektrische Eigenschaften bietet, für den ersten Teil des Substrats gewählt werden. Der erste Abschnitt kann entsprechend dem gewählten Dickenprofil ausgebildet (z.B. im Schritt 94) und/oder modifiziert (z.B. im Schritt 95) werden.
In einer beispielhaften Ausführungsform können ähnliche Schritte wie die Schritte 162 und 164 durchgeführt werden, um ein Dickenprofil für den zweiten (verhältnismäßig isolierenden) Abschnitt des Substrats auszuwählen. Der zweite Abschnitt kann entsprechend dem gewählten Dickenprofil ausgebildet (z.B. im Schritt 92) und/oder modifiziert (z.B. im Schritt 93) werden.
17 ist ein Flussdiagramm, das einen Algorithmus zeigt, der allgemein mit dem Bezugszeichen 170 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform bezeichnet ist.
Der Algorithmus 170 beginnt mit dem Schritt 172, bei dem ein 3D-Drucker oder ein additiver Fertigungsapparat (z.B. durch Programmbefehle usw.) veranlasst wird, ein Halbleiter-Leistungsmodul (z.B. die oben beschriebenen Leistungsmodule) herzustellen. Beispielsweise kann ein computerlesbares Medium über computerausführbare Anweisungen verfügen, die so angepasst sind, dass ein 3D-Drucker oder ein Gerät zur additiven Fertigung ein Halbleiter-Leistungsmodul herstellt.
Als nächstes wird im Schritt 174 das Halbleiter-Leistungsmodul unter Verwendung des 3D-Druckers oder des additiven Fertigungsgeräts hergestellt.
In einem Beispiel kann bei der Herstellung des Halbleiter-Leistungsmoduls im Schritt 174 der zweite (verhältnismäßig isolierende) Abschnitt des Substrats unter Verwendung additiver Herstellungsverfahren (z.B. unter Verwendung einer additiven Herstellungsvorrichtung) ausgebildet werden. Der zweite Abschnitt kann Kühlkanäle enthalten (z.B. wie in 10 bis 15 dargestellt).
In einem Beispiel wird bei der Herstellung des Halbleiter-Leistungsmoduls im Schritt 174 eine isolierende Abdeckung für eine oder mehrere Leistungsmodulkomponenten unter Verwendung additiver Herstellungsmethoden (z.B. unter Verwendung eines additiven Herstellungsapparats) ausgebildet.
In einem Beispiel kann ein Verfahren zur Bildung eines Halbleiter-Leistungsmoduls die Bereitstellung eines computerlesbaren Mediums mit computerausführbaren Befehlen umfassen, die so angepasst sind, dass ein 3D-Drucker oder eine additive Herstellungsvorrichtung das Halbleiter-Leistungsmodul herstellt. Das Halbleiter-Leistungsmodul kann durch additive Herstellung hergestellt werden, z.B. unter Verwendung des 3D-Druckers oder der additiven Herstellungsvorrichtung.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung werden nur als Beispiel angegeben. Dem Fachmann sind viele Modifikationen, Änderungen und Ersetzungen bekannt, die vorgenommen werden könnten, ohne vom Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die Ansprüche der vorliegenden Anmeldung zielen darauf ab, alle Modifikationen, Änderungen und Ersetzungen zu nennen, die in die Kernidee und den Anwendungsbereich der Erfindung fallen.

Claims

Halbleiter-Leistungsmodul mit einer Vielzahl von Leistungsmodulkomponenten, die auf einem Substrat befestigt sind, wobei das Substrat einen ersten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt, auf dem die Leistungsmodulkomponenten befestigt sind, und einen zweiten, elektrisch verhältnismäßig isolierenden Abschnitt, auf dem der erste Abschnitt befestigt ist, aufweist, wobei der erste Abschnitt des Substrats auf einer ersten Oberfläche des zweiten Abschnitts befestigt ist und der erste Abschnitt ein Dickenprofil aufweist, das in einer Richtung parallel zu der ersten Oberfläche variiert.
Halbleiter-Leistungsmodul nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Teil des ersten Abschnitts des Substrats aus den zweiten Abschnitt des Substrats hervorragt.
Halbleiter-Leistungsmodul nach Anspruch 1, bei dem eine freiliegende Oberfläche des ersten Abschnitts, auf der die Leistungsmodulkomponenten befestigt sind, bündig zu der ersten oder einer zweiten Oberfläche des zweiten Abschnitts des Substrats ist.
Halbleiter-Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste Abschnitt des Substrats zumindest teilweise in den zweiten Abschnitt des Substrats eingebettet ist.
Halbleiter-Leistungsmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Dickenprofil des ersten Teils des Substrats so eingestellt ist, dass es einen oder mehrere der folgenden Anforderungen erfüllt: einer Anforderung an die elektrische Leitfähigkeit; einer Anforderung an die Wärmeleitfähigkeit; und/oder eine Anforderung an die Zuverlässigkeit.
Ein Halbleiter-Leistungsmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zweite Abschnitt des Substrats Kanäle für den Durchgang eines Kühlmittels aufweist.
Halbleiter-Leistungsmodul nach Anspruch 6, wobei der erste Abschnitt des Substrats Erweiterungen in den zweiten Abschnitt aufweist, die in unmittelbarer Nähe zu mindestens einigen der Kanäle enden.
Halbleiter-Leistungsmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Substrat ein direkt gebundenes Kupfersubstrat ist.
Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Leistungsmoduls, wobei das Halbleiter-Leistungsmodul eine Vielzahl von Leistungsmodulkomponenten aufweist, die auf einem Substrat befestigt sind, wobei das Substrat einen ersten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt aufweist, auf dem die Leistungsmodulkomponenten befestigt sind, und einen zweiten, elektrisch verhältnismäßig isolierenden Abschnitt, auf dem der erste Abschnitt befestigt ist, wobei der erste Abschnitt des Substrats auf einer ersten Oberfläche des zweiten Abschnitts befestigt ist, wobei das Verfahren aufweist: Ausbilden des ersten Abschnitts des Substrats, so dass der erste Abschnitt ein Dickenprofil aufweist, das in einer Richtung parallel zu der ersten Oberfläche variiert.
Verfahren nach Anspruch 9, weiter umfassend: Bilden des ersten Abschnitts des Substrats unter Verwendung von additiven Herstellungsverfahren.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, weiter umfassend das Modifizieren des ersten Abschnitts, um das Dickenprofil des ersten Abschnitts zu erzeugen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, weiter umfassend das Ausbilden des ersten Abschnitts des Substrats unter Verwendung von Kaltgasspritzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, weiter umfassend das Ausbilden des zweiten Abschnitts des Substrats unter Verwendung von additiven Herstellungsverfahren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, weiter umfassend die Herstellung einer isolierenden Abdeckung für die Leistungsmodulkomponenten unter Verwendung von additiven Herstellungsverfahren.
Verfahren zum Entwerfen eines Halbleiter-Leistungsmoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Verfahren umfasst: Modellierung der thermischen und/oder elektrischen Eigenschaften des Halbleiter-Leistungsmoduls an jedem einer Vielzahl von Dickenprofilen des ersten Abschnitts des Substrats; und Auswahl eines gewünschten Dickenprofils für den ersten Abschnitt des Substrats in Abhängigkeit von den Ergebnissen der Modellierung.
Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Leistungsmoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Halbleiter-Leistungsmodul durch additive Herstellung hergestellt wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines computerlesbaren Mediums mit computerausführbaren Befehlen, die geeignet sind, einen 3D-Drucker oder eine Vorrichtung zur additiven Herstellung zu veranlassen, das Halbleiter-Leistungsmodul herzustellen; und Herstellen des Halbleiter-Leistungsmoduls unter Verwendung des 3D-Druckers oder einer additiven Fertigungsvorrichtung.
Computerlesbares Medium mit computerausführbaren Befehlen, die geeignet sind, einen 3D-Drucker oder eine additive Herstellungsvorrichtung zu veranlassen, ein Halbleiter-Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8 herzustellen oder ein Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16 zu implementieren.