WO2020078778A1 - Halbleiterbauelement-anordnung, verfahren zu deren herstellung sowie entwärmungseinrichtung - Google Patents

Halbleiterbauelement-anordnung, verfahren zu deren herstellung sowie entwärmungseinrichtung Download PDF

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WO2020078778A1
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circuit board
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Detlev Bagung
Christina QUEST-MATT
Thomas Riepl
Daniela Wolf
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Vitesco Technologies GmbH
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Definitions

  • the present disclosure relates to a semiconductor component arrangement, a method for its production and a heat dissipation device
  • Semiconductor components especially power semiconductor components, such as power metal oxide semiconductor field effect transistors (so-called.
  • Power MOSFETs are often used as components in housings
  • Cooling surfaces (so-called “heatslug”, “exposed pad”) supplied.
  • housing designs for example designs known under the names TO220, D2PAK or DPAK.
  • Power semiconductor components are intended for surface mounting and are also referred to as surface-mounted components (so-called surface-mount device / SMD). Power semiconductor components heat up during operation, so that the heat generated must be dissipated. In the surface mounting (so-called SMD mounting) of a power semiconductor component on a printed circuit board, this generally serves as a heat sink (so-called heatsink).
  • the above Heatslug which is usually located on a metal plate of the power semiconductor component, is a metallic one on the circuit board for SMD assembly
  • Attachment area (so-called footprint) assigned, the area of the footprint on the printed circuit board corresponding approximately to the heatslug area of the semiconductor component.
  • the heat is transferred from the circuit board via thermal holes, ie via metallized holes (also known as thermal vias) and via Thermal grease (thermal interface material) on a device housing
  • Thermal vias can be placed under the heatslug or, for example, in the immediate vicinity in the circuit board. Since thermal vias generally extend perpendicular to the circuit board level, the heat can be dissipated in a short way, for example to a device housing.
  • Such semiconductor components built into a component housing are also used, for example, in charging devices for electromobility. Very high power losses occur during operation, making the cooling special
  • thermal vias In some applications, the use of thermal vias is not permitted due to electrical insulation regulations. On the other hand,
  • PCBs printed circuit boards
  • the present disclosure is based on the object of advantageously further developing a semiconductor component arrangement or a method for producing a semiconductor component arrangement or a cooling device for a semiconductor component arrangement.
  • the aim is to be able to overcome at least some or all of the disadvantages mentioned above.
  • Heat buffering can be created to cushion short-term power peaks associated with an increase in temperature.
  • a semiconductor component arrangement which has at least one semiconductor component and a printed circuit board is specified.
  • an electrical circuit is specified that has the semiconductor component arrangement.
  • the semiconductor component arrangement has an - in particular first - metal block which is arranged between the semiconductor component and the printed circuit board, which is connected to an - in particular first - electrical connection of the semiconductor component by means of a soldered connection and which is connected to at least one conductor track of the printed circuit board by means of a further one Solder connection is connected.
  • the metal block is exposed
  • the mounting surface - in particular for producing the further solder connection - is uncovered by solder mask.
  • the mounting surface is covered in particular in places or completely with solder and covered by the first metal block.
  • the conductor track is completely or partially formed by an etched copper layer, which is in particular attached to an insulating carrier of the circuit board.
  • the metal block has an extension in the direction away from the printed circuit board and towards the semiconductor component which is at least as large as the extension of the semiconductor component in this direction, measured from the first electrical connection in the direction away from the printed circuit board. If the semiconductor component is arranged in a housing, the extent of the semiconductor component is expanded
  • the semiconductor component arrangement has a metal body which is embedded in the printed circuit board.
  • the metal block is connected to the metal body by means of the further solder connection.
  • the metal body has the exposed mounting surface.
  • the metal body represents a section of the conductor track, which is formed, in particular, from the etched copper layer.
  • a surface of the conductor track facing away from a base body of the printed circuit board including a surface of the metal body facing away from the base body of the printed circuit board, is arranged entirely in a single plane.
  • the metal body is prefabricated and subsequently attached to the base body of the printed circuit board.
  • a first heat spread can also be achieved here at the connection of the electrical connection to the metal block.
  • a second heat spread can take place at the connection to a metal body embedded in the printed circuit board.
  • metal bodies can even achieve additive heat spreading.
  • Another advantage is that the metal block and the metal body, if present, also have a heat buffer effect, so that it can also be effective as a heat sink.
  • By increasing the mass of the thermally conductive materials and their spatial expansion improves the spread of heat in the various deeper layers and thus more effectively dissipates heat into a housing or to another heat sink.
  • brief temperature increases caused by power peaks can be buffered by the increased thermal mass in the line path.
  • the semiconductor component has at least one further electrical connection — preferably a plurality of further electrical connections.
  • the semiconductor component arrangement contains at least one metal block group which has the first metal block and at least one further metal block - preferably a plurality of further metal blocks - wherein in particular each further metal block is assigned to one of the further electrical connections.
  • the number of further metal blocks belonging to the metal block group preferably corresponds to the number of further electrical connections.
  • the or each further metal block of the metal block group is by means of a respective solder connection between the or a respective further electrical connection of the semiconductor component and the printed circuit board
  • each of the further metal blocks is soldered to one of the further electrical connections on one side and soldered to a further conductor track of the printed circuit board on an opposite side.
  • each electrical connection can be assigned a metal block for electrically and thermally conductive connection to a printed circuit board.
  • the semiconductor component is installed in a housing, the first electrical connection of the semi-conductor element being connected to a first metal plate fastened to the housing.
  • Such metal plates have an exposed surface on the housing and are known as a so-called heatslug.
  • the semiconductor component has a housing and the first electrical connection is formed by a surface of the first metal plate that is exposed on the housing. The dimensioning of the exposed surface primarily follows the requirements for heat dissipation; as a rule, the free surface is at least one square millimeter.
  • Semiconductor device connected to a third metal plate attached to the housing - i.e. in particular formed by an exposed surface of the third metal plate - and in particular a fourth electrical connection of the semiconductor component with a fourth metal plate attached to the housing - i.e. in particular formed by an exposed surface of the fourth metal plate - be connected.
  • the second electrical connection and any further electrical connections of the semiconductor component protrude from the housing as a pin of the connection concerned.
  • the first metal block has a first end face and a second end face facing it is connected on its first end face by means of the soldered connection to a plate surface - this is in particular the exposed surface - of the first metal plate and on its second end face by means of the further soldered connection connected to the conductor track of the circuit board. Accordingly, each of the further metal blocks - in particular the second, third or fourth metal block - can each have a first
  • Be connected semiconductor device and be connected at its second end face to a respective further conductor track of the circuit board by means of a solder connection.
  • Such embodiments are particularly good for
  • soldered connection on the first end face and / or the soldered connection on the second end face of the respective metal block can preferably be by means of
  • the conductor track which is connected to a metal block by means of a solder connection is part of an outer layer of the circuit board, or that each conductor track which is connected to a metal block by means of a solder connection is part of an outer layer of the circuit board.
  • all of the first end faces of the metal blocks of the metal block group extend - these are in particular the first metal block and the further metal block or the further metal blocks, e.g. the second metal block or the second and third metal block or the second, third and fourth metal block - in a first plane and all second end faces of the metal blocks of the
  • Metal block group in a second plane the first plane and the second plane being in particular parallel to one another.
  • the metal blocks are of the metal block group
  • the metal blocks are preferably in a plan view of a main extension plane of the
  • the metal blocks of the metal block group are partially or completely encased on their lateral lateral surfaces by an electrically insulating jacket common to them.
  • the shroud is
  • the casing is a plastic body with which the metal blocks are, for example, extrusion-coated.
  • the metal block group is prefabricated.
  • the metal blocks of the metal block group are fixed in place relative to one another by the sheathing, the fixed fixing preferably being in place before the connection — in particular before the soldering — of the sheathed Metal block group with the circuit board.
  • the printed circuit board can be particularly easily populated with the encased metal block group and the component.
  • Metal blocks to one another and to the conductor tracks of the printed circuit board or the electrical connections of the component can be achieved in this way.
  • a simple and therefore inexpensive shaping can be achieved in that the metal block or that a respective metal block has a uniform cross section assigned to it in each plane parallel to the first plane and / or to the second plane.
  • the metal blocks are cuboid and in particular have sides parallel to the first and second planes.
  • the cross section of the first metal block can be larger, at least several times larger, than the cross section of the further metal block or as the cross section of each further metal block.
  • the first end face of the first metal block is larger than the plate area of the first metal plate.
  • the soldered connection between the first metal plate and the first metal block extends in the entire region in which the plate surface overlaps the first end face (16) of the first metal block.
  • Particularly good heat spreading can be achieved in this way.
  • the first metal block protrudes laterally beyond the first metal plate.
  • An edge length of the metal block in the direction in which it protrudes laterally beyond the metal plate is preferably at least 30% larger than that
  • each solder connection has one
  • the respective first end face and the respective second end face have a passivation suitable for a soldering process.
  • the first metal block has a first end face and a second end face facing it, is connected at its first end face to a plate surface of the first metal plate by means of the solder connection and at its second end face by means of the further solder connection to the first one embedded in the printed circuit board Connected metal body.
  • the second metal block has a first end face and a second end face pointing opposite, is on its first end face by means of a solder connection to the second electrical connection of the
  • the third metal block can have a first end face and a second end face pointing opposite thereto, on its first end face by means of a
  • a fourth metal block has a first end face and a second end face facing opposite, on its first end face by means of a solder connection with a fourth electrical connection of the
  • Semiconductor component is connected and is connected at its second end face to a fourth metal body embedded in the printed circuit board.
  • the exposed mounting surface of the conductor track, on which the first metal block is soldered, or the first metal body embedded in the circuit board has a larger surface area than the first metal block in relation to the main plane of extent.
  • the surface of the metal body or the mounting surface is in
  • a pin is a second electrical
  • Semiconductor component is soldered onto respective further conductor tracks of the printed circuit board and / or onto further metal bodies embedded in the printed circuit board or alternatively soldered to further respective conductor tracks of the printed circuit board and / or onto further metal bodies inserted into the printed circuit board by means of push-through assembly.
  • the arrangement can have, for example, only the first metal block - and no metal block group with further metal blocks.
  • solder there is a layer of solder on a respective metal block on its respective first end face and on its respective second end face in the area of the soldered connection and / or that there is between a respective pin and a conductor track soldered to the pin ( 8) there is a layer of solder in the area of the solder connection.
  • the metal block consists of copper and / or the at least one further metal block consists of copper. Copper has both good electrical conductivity and good thermal thermal conductivity and also a heat storage capacity suitable for the invention. Other alloys containing copper in one embodiment are also conceivable for the metal block and / or the at least one further metal block. In view of the heat storage, which is also desirable, it is preferred that the metal block or that a respective metal block perpendicular to its first end face has a thickness which corresponds to a multiple of the thickness of the conductor tracks of the printed circuit board. In another embodiment, the one embedded in the circuit board
  • the metal body and / or the further metal body (s) consist of copper.
  • the or each metal body embedded in the circuit board can serve as a further heat sink (s) in addition to the metal block or the metal blocks and provide heat buffers in order to cushion short-term power peaks of the semiconductor component as the temperature rises.
  • the semiconductor component is one
  • Power metal oxide semiconductor field effect transistor can be a semiconductor component that generates a power loss of 2 watts or more when operated as intended and / or that heats up by at least 10 degrees Celsius when it is operated as intended.
  • it can be a semiconductor component that generates a power loss of 2 watts or more when operated as intended and / or that heats up by at least 10 degrees Celsius when it is operated as intended.
  • it can be a semiconductor component that generates a power loss of 2 watts or more when operated as intended and / or that heats up by at least 10 degrees Celsius when it is operated as intended.
  • it can be a semiconductor component that generates a power loss of 2 watts or more when operated as intended and / or that heats up by at least 10 degrees Celsius when it is operated as intended.
  • it can be a semiconductor component that generates a power loss of 2 watts or more when operated as intended and / or that heats up by at least 10 degrees Celsius when it is operated as intended.
  • it can be a semiconductor component that
  • Act semiconductor device that is designed for operation at 24 V with a current of at least 1 ampere or at 48 V with a current of 0.5 ampere, for example.
  • circuit board it is preferred that it is a
  • the circuit board is a printed circuit.
  • the circuit board is a printed circuit.
  • Printed circuit board has two outer copper layers and between them three prepregs with a thickness of at least 0.4 millimeters or the printed circuit board has four copper layers and between two adjacent copper layers each has at least one prepreg, in an expedient embodiment three prepregs, in particular with a thickness of at least 0 , 4 millimeters.
  • three prepregs with a thickness of at least 0.4 millimeters in particular understood that the three prepregs together have a total thickness of at least 0.4 millimeters.”
  • Prepregs are understood in particular to mean plates which are reinforced with glass fabric (epoxy) resin, for example that under material known as FR-4.
  • the prepregs are semi-finished textile fiber matrix pre-impregnated with reactive resins
  • Fier ein the circuit board preferably under temperature and / or
  • circuit boards are available as standard circuit boards.
  • the circuit board is on its from that
  • the circuit board also known as the substrate, which provides the basic electrical insulation required by the standards, which also creates a thermal barrier and which is located in the heat flow between the
  • Semiconductor device and the heat sink is located, according to a single or multiple heat spread in a large cross section of heat
  • a heat sink can also be a device housing.
  • metal block or blocks There is extensive freedom of design with regard to the metal block or blocks.
  • Arrangement is particularly advantageous for all such electronic modules that have a high power loss and that meet the requirements of Insulation coordination standards are sufficient, and these requirements can advantageously be met according to the present disclosure with a standard printed circuit board.
  • the electrical circuit is a circuit of a charger (in particular a so-called onboard charger), a (power) output stage, a motor controller or a circuit of another device for the electrification of motor vehicles.
  • a charger in particular a so-called onboard charger
  • a (power) output stage in particular a so-called onboard charger
  • a motor controller in particular a so-called motor controller
  • the semiconductor component arrangement enables effective heat dissipation of power semiconductor components that generate heat loss.
  • Semiconductor component which has at least a first electrical connection, and at least one metal block provided.
  • the prefabricated, encased metal block group with the first and the at least one further metal block and the casing is provided.
  • the first electrical contact is made with a first end face of the first metal block by means of a solder connection and, in particular subsequently, a second end face of the first metal block, which lies on the side of the first metal block opposite the first end face, by means of a solder connection with a Conductor of the circuit board or, if a first metal body is embedded in the circuit board, connected by means of the metal body integrated in the circuit board.
  • Prefabricated, sheathed metal block group is particularly in a further process step - preferably at the same time with the production of the soldered connection between the conductor track or the metal body and the second end face of the first metal block and / or at the same time with the production of the soldered connection between the first electrical contact and the first end face of the first metal block - the further metal block (32, 33, 34) of the prefabricated, encased metal block group by means of a solder connection (14) between the another electrical connection (22, 23, 24) and the circuit board (5) interposed.
  • the first electrical connection with a metal plate is one
  • Component housing of the semiconductor component connected and / or the metal plate is by means of a surface mounting process (so-called.
  • the heat removal device has a plurality of metal blocks which are arranged laterally to one another and which are encased on their lateral jacket surfaces by an electrically insulating jacket that is common to them.
  • the metal blocks are preferably made of copper.
  • the casing is made in particular of plastic;
  • the metal blocks are extrusion-coated with the plastic sheathing.
  • the cooling device with the encased metal blocks is preferably provided for soldering to a printed circuit board.
  • the metal blocks are extrusion-coated with the plastic sheathing.
  • each metal block has one across it
  • Shell surface extending first end face and a transverse to its
  • a second end surface extending on the lateral surface, a layer of solder being applied to each first end surface and every second end surface.
  • Fig. 1 shows schematically a side view of an inventive
  • Cooling device according to a preferred embodiment
  • FIG. 2 shows an end view of the cooling device shown in FIG. 1 in the viewing direction II there;
  • FIG. 3 shows an end view of a heat removal device according to the invention in accordance with a second preferred exemplary embodiment
  • Flalbleiter component arrangement according to a first preferred
  • Flalbleiter component arrangement according to a second preferred
  • Flalbleiter component arrangement according to a third preferred
  • Fig. 6b is a top view of that shown in Fig. 6a
  • the flat conductor component arrangement 1 shown in FIG. 4 comprises the cooling device 2 shown in FIGS. 1 and 2, so that the description in context.
  • the semiconductor component arrangement 1 comprises a semiconductor component 3 which is installed in a housing 4 and which is therefore not shown in more detail in the figures.
  • the example is a so-called power MOSFET, ie one
  • the semiconductor component 3 is connected by means of the heat-dissipation device 2 to a printed circuit board 5, which in the example is three, one electrically and thermally in the illustration
  • Isolating intermediate layer 6 has summarized so-called prepregs, and two outer copper layers 7.
  • Figure 4 shows schematically that the upper copper layer 7 comprises a plurality of conductor tracks 8 made of copper, which have the same reference numerals for simplification.
  • the copper layer 7 in the present exemplary embodiment comprises at least four conductor tracks 8, of which one conductor track is located on the left in FIG which are the three other conductor tracks 8 on the right side of the gap 9 and in turn from each other by means of another, in the
  • the circuit board 5 is connected by means of a so-called thermal interface 10 to a heat sink 11, through which a coolant (for example water) flows through a coolant circuit, not shown, for heat dissipation.
  • a coolant for example water
  • the semiconductor component 3 has a first electrical connection 21, which is covered by the housing 4, a second electrical connection 22, a third electrical connection 23 and a fourth electrical connection 24, the third and fourth connections 23, 24 in FIG second connection 22 are covered.
  • the heat removal device 2 comprises a comparatively large first metal block 31, a comparatively smaller one in FIG
  • the four metal blocks 31, 32, 33 and 34 functionally form a prefabricated metal block group for connecting the semiconductor component 3 to the printed circuit board 5.
  • the first metal block 31 is arranged between the semiconductor components 3 located in the housing 4 and the printed circuit board 5, and the Metal blocks 32, 33 and 34 are arranged between each of the electrical connections 22, 23 and 24 and the printed circuit board 5.
  • the first electrical connection 21 is metallically connected to a first metal plate 13 (so-called heatslug) fastened to the housing 4.
  • the metal plate 13 and thereby the first electrical connection 21 is electrically conductively connected to the first metal block 31 by means of a solder connection 14 which has the solder layer 15 cut in FIG. It can be seen from FIG. 1 that the solder layer 15 is applied to a first end face 16 of the first metal block 31.
  • the first end face 16 of the first metal block 31 lies in a common first plane 18 together with a first
  • a second end face 17 of the first metal block 31 lies on the opposite side in a second plane 20 together with a second end face 17 of the second metal block 32, with a second end face 17 of the third metal block 33 and with a second end face 17 of the fourth Metal block 34.
  • a solder tin layer 15 is applied to each first end face 16 and on every second end face 17 in the example.
  • the first metal block 31 is connected in an electrically conductive manner to the conductor track 8 of the printed circuit board 5, which is provided on its second end face 17, by solder layer 15.
  • all layers of solder are uniformly designated by 15 for an overview, and all solder connections formed from one layer of solder 15 are uniformly designated by reference numeral 14 for an overview.
  • FIGS. 1 and 2 show in the sectional view a plate surface 19 of the first metal plate 13, which was connected to the solder layer 15.
  • the metal blocks 31, 32, 33, 34 are arranged laterally to one another.
  • Figure 2 shows their in relation to the
  • the three metal blocks 32, 33, 34 have dimensions which are identical to one another and, with respect to a transverse direction Q of the heat removal device 2, are each the same
  • the metal block 31 which is larger in comparison, is spaced apart therefrom in a longitudinal direction L perpendicular to the transverse direction Q.
  • Figure 1 shows that the lateral lateral surfaces 25 of the metal blocks
  • the metal block group with the coated metal blocks 31-34 is applied as one component to the circuit board and subsequently soldered to the conductor tracks 8 and / or the electrical connections 21-24.
  • cross section of the first metal block 31 is in each case larger than the cross section of the others
  • FIG. 4 shows that the first end face 16 of the first metal block 31 and the areal expansion of the solder layer 15 formed thereon are larger than the adjacent plate surface 19 of the metal plate 13, which is fastened to the housing 4 as a so-called heatslug.
  • metal block 32 is soldered. In its opposite end face 17, the metal block 32 is soldered by means of the solder layer 15 applied there on the conductor track 8 also shown in FIG. 4 and running to the right of the gap 9. In the exemplary embodiment it is provided that all metal blocks 31, 32, 33, 34 consist of copper.
  • the embodiment with a second, third and fourth electrical connection 22, 23, 24 in addition to the first electrical connection 21 is selected only as an example. If the semiconductor component 3 is, for example, a MOSFET, it usually has only the first 21 and two further electrical connections 22, 23. Accordingly, in addition to the first metal block 31, the cooling device in this case expediently has only two further metal blocks 32, 33. Embodiments with a larger number of further electrical connections and others
  • Metal blocks - e.g. five - are also conceivable.
  • Figure 3 shows a second preferred embodiment of a
  • Heat removal device 2 To connect two semiconductor components 3 to a printed circuit board 5, two metal block groups, each of which comprises the four metal blocks 31-34 shown in FIGS. 1 and 2, are encased by a common insulating jacket 26.
  • the semiconductor component arrangement 1 differs from the embodiment in FIG. 4 in that only the first metal block 31 is present.
  • the metal blocks 32-34 and the casing 26 are not present.
  • the metal block 31 is soldered between the metal plate 13 (heatslug) of the housing 4 and a conductor 8 by means of the two solder connections 14, each formed by a layer of solder 15, and thereby in the thermal path between them
  • a pin 22 'of the second electrical connection 22 of the semiconductor component 3 was in the
  • FIG. 4 Compared to the embodiment of FIG. 4, it is extended and is soldered to its free, again angled longitudinal end by means of a solder connection 14 formed by a solder layer 15 on a conductor 8, which is electrically connected by means of the gap 9 from the conductor 8 electrically connected to the first electrical connection 21 is decoupled.
  • a pin 23 'of a third electrical connection 23 and a pin 24' of a fourth electrical connection 24 of the semiconductor component is covered by pin 22 ', but, like pin 22', is soldered to other conductor tracks 8 in a corresponding manner.
  • FIGS. 6a and 6b show a third preferred exemplary embodiment of a semiconductor component arrangement 1 according to the invention, again corresponding or comparable details to the preceding embodiments being identified by the same reference numerals.
  • a first metal body 27 is inserted into the printed circuit board 5, a second metal body 28 is spaced laterally and a third metal body 29 is spaced in the direction of view from FIG. 6a, so that the respective exposed metal surface in the example is flush with an upper side of the printed circuit board 5.
  • a semiconductor component 3 which is a power semiconductor component and is accommodated in a housing 4, is in turn soldered onto the opposite surface of the metal body 31 by means of a further solder connection 14 formed by a solder layer 15.
  • a first electrical contact 22 of the semiconductor component 3 is in turn connected to the metal plate 13 which adjoins the solder tin layer 15.
  • the thermal cross section of the first metal plate 31 is larger than that of the metal plate 13 (heatslug), and the thermal cross section of the first metal body 27 is larger than the thermal cross section of the first metal block 31.
  • the first metal body 27 can be formed in the associated cavity of the printed circuit board 5, for example using masks, from a plurality of copper layers applied to one another.
  • the semiconductor component 3 also has a second electrical connection 2 and a third electrical connection 23, each of which pins 22 ′, 23 ′ lead out of the housing 4.
  • Pins 22 'and 23' are angled. The pin 22 'runs through the angled section in the second metal body 28 introduced through hole, with the
  • Metal body 27-29 is considerably larger than the thickness of the conductor tracks 8.
  • the first metal body 27 and / or the second metal body 28 and / or the third metal body 29 can be electrically connected to a respective conductor track 8 of the printed circuit board 5 (not shown in FIG. 6) be connected.

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Abstract

Es wird eine Halbleiterbauelement-Anordnung (1) angegeben, die zumindest ein Halbleiterbauelement (3) ), das einen ersten elektrischen Anschluss (21) und mindestens einen weiteren elektrischen Anschluss (22, 23, 24) aufweist, eine Leiterplatte (5) und eine vorgefertigte Metallblock-Gruppe aufweist. Die Metallblock-Gruppe weist einen ersten Metallblock (31) auf, der zwischen dem Halbleiterbauelement (3) und der Leiterplatte (5) angeordnet ist, der mit einem ersten elektrischen Anschluss (21) des Halbleiterbauelements (3) mittels einer Lötverbindung (14) verbunden ist und der mit zumindest einer Leiterbahn (8) der Leiterplatte (5) mittels einer weiteren Lötverbindung (14) verbunden ist. Die Metallblock-Gruppe weist mindestens einen weiteren Metallblock (32, 33, 34) auf, der mittels einer Lötverbindung (14) zwischen den weiteren elektrischen Anschluss (22, 23, 24) und die Leiterplatte (5) zwischengeschaltet ist. Die Metallblöcke (31, 32, 33, 34) der vorgefertigten Metallblock-Gruppe sind zueinander seitlich angeordnet und an ihren seitlichen Mantelflächen (25) teilweise oder vollständig von einer ihnen gemeinsamen, elektrisch isolierenden Ummantelung (26) ummantelt. Zudem werden eine elektrische Schaltung, ein Verfahren zur Herstellung der Halbleiterbauelement-Anordnung (1) und eine Entwärmungseinrichtung (2) offenbart.

Description

Beschreibung
Halbleiterbauelement-Anordnung, Verfahren zu deren Herstellung sowie
Entwärmungseinrichtung
Gebiet der Technik
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Halbleiterbauelement-Anordnung, ein Verfahren zu deren Herstellung sowie eine Entwärmungseinrichtung
Stand der Technik
Halbleiterbauelemente, speziell Leistungs-Halbleiterbauelemente, wie zum Beispiel Leistungs-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (sog.
Leistungs-MOSFETs), werden als Bauelemente häufig in Gehäusen mit
Kühlflächen (sog. "Heatslug", "exposed Pad") geliefert. Es existieren verschiedene Gehäusebauformen, zum Beispiel unter den Bezeichnungen TO220, D2PAK oder DPAK bekannte Bauformen.
Häufig sind die in einem Gehäuse untergebrachten
Leistungs-Halbleiterbauelemente für die Oberflächenmontage bestimmt und werden auch als oberflächenmontierte Bauelemente (sog. surface-mount device / SMD) bezeichnet. Im Betrieb erwärmen sich Leistungs-Halbleiterbauelemente, so dass die gebildete Wärme abgeführt werden muss. Bei der Oberflächenmontage (sog. SMD-Montage) eines Leistungs-Halbleiterbauelements auf einer Leiterplatte dient diese im Allgemeinen als Wärmeableiter (sog. Heatsink). Der o. g. Heatslug, die sich im Regelfall an einer Metallplatte des Leistungs-Halbleiterbauelements befindet, ist auf der Leiterplatte für die SMD-Montage eine metallische
Befestigungsfläche (sog. Footprint) zugeordnet, wobei die Fläche des Footprints auf der Leiterplatte etwa der Heatslug-Fläche des Halbleiterbauelements entspricht.
Im Allgemeinen wird die Wärme von der Leiterplatte über thermische Bohrungen, d. h. über metallisierte Bohrungen, (auch als thermische Vias bezeichnet) und über Wärmeleitpaste (Thermisches Interface Material) an ein Gerätegehäuse
weitergeleitet. Thermische Vias können unter dem Heatslug oder bspw. in direkter Umgebung in der Leiterplatte platziert sein. Da sich thermische Vias in der Regel senkrecht zur Leiterplattenebene erstrecken, kann die Wärme auf kurzem Weg, bspw. an ein Gerätegehäuse, abgeleitet werden.
Derartige in einem Bauelementgehäuse verbaute Halbleiterbauelemente kommen zum Beispiel auch in Ladegeräten für die Elektromobilität zum Einsatz. Hier fallen im Betrieb sehr hohe Verlustleistungen an, so dass der Kühlung besondere
Bedeutung zukommt.
Da hohe Spannungen erzeugt werden (zum Beispiel für eine 800 V-Batterie), sind auch hohe Anforderungen an die Isolation gestellt. Die Anforderungen bzgl Isolation bzw. Überspannungs-Schutz sind in verschiedenen Normen festgelegt, zum Beispiel in der Norm IEC 60664-1 (manchmal auch als "Insuco-Norm" bezeichnet; Insuco = "Insulation Coordination").
Bei einigen Anwendungen ist die Verwendung von Thermischen Vias aufgrund elektrischer Isolationsverordnungen nicht zulässig. Andererseits steht bei
Standard-Leiterplatten (sog. Printed Circuit Boards = PCBs) pro Lagenebene nur eine geringe Kupferschichtdicke (oft nur 70 Mikrometer, teilweise bis zu 105 oder 200 Mikrometer, jedoch nur selten mehr) zur Verfügung. Daher kann die
Verlustleistung, die das Leistungsbauteil über seinen Heatslug abgibt, mit der Standard-Leiterplatten-Technologie und unter Verwendung des
Standard-Footprint-Designs nicht mehr ausreichend abgeführt werden.
Um hohe Anforderungen bezüglich der elektrischen Isolierung und der
Wärmeabfuhr zu erfüllen, ist bekannt, dass ausgehend von dem
Halbleiterbauelement zuerst eine elektrische Isolation und danach eine sog.
Wärmespreizung mittels einer Al/Cu-Platte und die weitere Wärmeabfuhr erfolgt. Diesbezüglich ist von Fa. Bergquist -Henkel das sog. Thermal Clad Isolated Metal Substrate (geschützte Bezeichnung IMS) bekannt. Es existieren andere Techniken, die zwar eine gute Entwärmung ermöglichen, die aber andererseits keine ausreichende erforderliche elektrische Isolation liefern und die teilweise weitere Nachteile haben, wie zum Beispiel Toleranzen, die das Löten erschweren.
Insgesamt besteht, insbesondere im Hinblick auf die erwähnten Normen, die Problematik, dass mit Standard-Leiterplatten nicht gleichzeitig die einerseits verlangte elektrische Isolation und die andererseits erforderliche Entwärmung (d. h. Wärmeabfuhr) erreicht werden kann. Dies führt zu einem Zielkonflikt bei der Isolationskoordination.
Zusammenfassung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Offenbarung die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiterbauelement-Anordnung bzw. ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterbauelement-Anordnung bzw. eine Entwärmungseinrichtung für eine Halbleiterbauelement-Anordnung vorteilhaft weiter zu bilden. Insbesondere wird angestrebt, dass damit zumindest einzelne oder alle der zuvor genannten Nachteile überwunden werden können. Insbesondere soll auch eine Möglichkeit zur
Wärmepufferung geschaffen werden, um kurzfristige, mit einem Temperaturanstieg verbundene Leistungsspitzen, abzufedern.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Halbleiterbauelement-Anordnung, die zumindest ein Halbleiterbauelement und eine Leiterplatte aufweist, angegeben.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung der
Halbleiterbauelement-Anordnung angegeben.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine elektrische Schaltung angegeben, welche die Halbleiterbauelement-Anordnung aufweist.
Gemäß einem vierten Aspekt wird eine Entwärmungseinrichtung für eine
Halbleiterbauelement-Anordnung angegeben. Die Halbleiterbauelement-Anordnung weist einen - insbesondere ersten - Metallblock auf, der zwischen dem Halbleiterbauelement und der Leiterplatte angeordnet ist, der mit einem - insbesondere ersten - elektrischen Anschluss des Halbleiterbauelements mittels einer Lötverbindung verbunden ist und der mit zumindest einer Leiterbahn der Leiterplatte mittels einer weiteren Lötverbindung verbunden ist. Insbesondere ist der Metallblock mit einer freiliegenden
Montagefläche der der Leiterbahn verlötet. "Freiliegend" bedeutet dabei
insbesondere, dass die Montagefläche - insbesondere zur Herstellung der weiteren Lötverbindung - von Lötstopplack unbedeckt ist. Nach der Herstellung der weiteren Lötverbindung ist die Montagefläche insbesondere stellenweise oder vollständig mit Lötzinn bedeckt und von dem ersten Metallblock überdeckt. Bei einer Weiterbildung ist die Leiterbahn vollständig oder stellenweise von einer geätzten Kupferschicht gebildet, die insbesondere auf einem isolierenden Träger der Leiterplatte angebracht ist.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung hat der Metallblock in Richtung von der Leiterplatte weg und zu dem Halbleiterbauelement hin eine Ausdehnung die mindestens so groß ist wie die Ausdehnung des Halbleiterbauelements in dieser Richtung, gemessen vom ersten elektrischen Anschluss in Richtung von der Leiterplatte weg. Ist das Halbleiterbauelement in einem Gehäuse angeordnet wird unter der Ausdehnung des Halbleiterbauelements dessen Ausdehnung
einschließlich des Gehäuses verstanden.
Mittels einer solchen Einbindung des Metallblocks kann vorteilhaft erreicht werden, dass - aus Richtung des im Betrieb erwärmten Halbleiterbauelements betrachtet - die Wärmespreizung, d. h. die den Wärmeabtransport begünstigende Verbreiterung des Wärmestroms mittels eines im Vergleich zu einem vorangehenden Wärmeleiter breiteren Wärmeleiters, noch vor der elektrischen Isolation, die gleichzeitig eine thermische Barriere herstellt, erfolgt. Insbesondere ist eine erste Wärmespreizung an der Verbindung des elektrischen Anschlusses mit dem Metallblock erzielbar. Eine zweite Wärmespreizung kann hierbei an der Verbindung zu der Leiterbahn erfolgen. Zudem ist innerhalb des vergleichsweise dicken Metallblocks eine besonders gute laterale Ausbreitung der vom Halbleiterbauelement abgeführten Wärme erzielbar.
Auf diese Weise kann die thermische Leitfähigkeit der Verbindung zwischen dem Halbleiterbauelement und der Leiterplatte verbessert und die Wärmeableitung verbessert werden. Auf diese Weise wird auch eine normgerechte Isolierung ermöglicht, und der Zielkonflikt bei der Isolierungskoordination wird vorteilhaft aufgelöst.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Halbleiterbauelement-Anordnung einen Metallkörper auf, der in die Leiterplatte eingelassen ist. Der Metallblock ist mit dem Metallkörper mittels der weiteren Lötverbindung verbunden. Insbesonder weist der Metallkörper die freiliegende Montagefläche auf.
Bei einer Weiterbildung stellt der Metallkörper einen Abschnitt der Leiterbahn dar, die insbesondere im Übrigen von der geätzten Kupferschicht gebildet ist.
Beispielsweise ist eine von einem Grundkörper der Leiterplatte abgewandte Oberfläche der Leiterbahn einschließlich einer vom Grundkörper der Leiterplatte abgewandten Oberfläche des Metallkörpers vollständig in einer einzigen Ebene angeordnet. Bei einer Weiterbildung ist der Metallkörper vorgefertigt und nachfolgend am Grundkörper der Leiterplatte befestigt.
Eine erste Wärmespreizung ist auch hierbei an der Verbindung des elektrischen Anschlusses mit dem Metallblock erzielbar. Eine zweite Wärmespreizung kann hierbei an der Verbindung zu einem in die Leiterplatte eingelassenen Metallkörper erfolgen.
Mittels der Wärmespreizung an den Verbindungen zwischen elektrischem
Anschluss und Metallblock und zwischen Metallblock und Leiterbahn bzw.
Metallkörper ist folglich sogar eine additive Wärmespreizung erzielbar. Hinzu kommt als Vorteil, dass der Metallblock und der ggf. vorhandene Metallkörper auch eine Wärmepufferwirkung hat, so dass er auch insofern als Kühlkörper wirksam sein kann. Durch die Vergrößerung der Masse der thermisch leitfähigen Materialien und deren räumliche Ausdehnung wird die Wärmespreizung in die verschiedenen tiefer liegenden Schichten verbessert und so effektiver mehr Wärme in ein Gehäuse oder zu einer sonstigen Wärmesenke abgeführt. Darüber hinaus können kurzzeitige Temperaturerhöhungen, die durch Leistungsspitzen verursacht werden, durch die erhöhte thermisch wirksame Masse im Leitungspfad abgepuffert werden.
Bei einer Ausführungsform weist das Halbleiterbauelement mindestens einen weiteren elektrischen Anschluss - vorzugsweise eine Mehrzahl von weiteren elektrischen Anschlüssen - auf. Die Halbleiterbauelement-Anordnung enthält zumindest eine Metallblock-Gruppe, die den ersten Metallblock und mindestens einen weiteren Metallblock - vorzugsweise mehrere weitere Metallblöcke - aufweist, wobei insbesondere jeder weitere Metallblock einem der weiteren elektrischen Anschlüsse zugeordnet ist. Die Anzahl der zu der Metallblock-Gruppe gehörenden weiteren Metallblöcke entspricht vorzugsweise der Anzahl der weiteren elektrischen Anschlüsse. Der bzw. jeder weitere Metallblock der Metallblock-Gruppe ist mittels einer jeweiligen Lötverbindung zwischen den bzw. einen jeweiligen weiteren elektrischen Anschluss des Halbleiterbauelements und die Leiterplatte
zwischengeschaltet. Insbesondere ist jeder der weiteren Metallblöcke an einer Seite mit einem der weiteren elektrischen Anschlüsse verlötet und an einer gegenüberliegenden Seite mit einer weiteren Leiterbahn der Leiterplatte verlötet.
Dies ermöglicht zum Beispiel, dass jedem elektrischen Anschluss je ein Metallblock zum elektrisch und thermisch leitfähigen Anschluss an eine Leiterplatte zugeordnet werden kann.
Bei einer Ausführungsform ist das Halbleiterbauelement in ein Gehäuse eingebaut ist, wobei der erste elektrische Anschluss des Halbbauleiterelements mit einer an dem Gehäuse befestigten ersten Metallplatte verbunden ist. Derartige Metallplatten besitzen eine am Gehäuse freiliegende Oberfläche und sind als sog. Heatslug bekannt. Anders ausgedrückt weist das Halbleiterbaulemenet ein Gehäuse auf und der erste elektrische Anschluss ist von einer am Gehäuse freiliegenden Oberfläche der ersten Metallplatte gebildet. Die Dimensionierung der freiligenden Oberfläche folgt primär den Anforderungen an die Wärmeableitung; im Regelfall beträgt die freie Oberfläche zumindest einen Quadratmillimeter.
Bei einer Weiterbildung ist ein zweiter elektrischer Anschluss des
Halbleiterbauelements mit einer an dem Gehäuse befestigten zweiten Metallplatte verbunden - d.h. insbesondere von einer freiligenden Oberfläche der zweiten Metallplatte gebildet.Zudem kann ein dritter elektrischer Anschluss des
Halbleiterbauelements mit einer an dem Gehäuse befestigten dritten Metallplatte verbunden - d.h. insbesondere von einer freiligenden Oberfläche der dritten Metallplatte gebildet - sein und insbesondere ein vierter elektrischer Anschluss des Halbleiterbauelements mit einer an dem Gehäuse befestigten vierten Metallplatte - d.h. insbesondere von einer freiligenden Oberfläche der vierten Metallplatte gebildet - verbunden sein.
Bei einer alternativen, bevorzugten, Weiterbildung ragt aber der zweite elektrische Anschluss und etwaige weitere elektrische Anschlüsse des Halbleiterbauelements als ein Pin des betreffenden Anschlusses aus dem Gehäuse heraus.
Bei einer Ausführungsform hat der erste Metallblock eine erste Stirnfläche und eine dazu entgegengesetzt weisende zweite Stirnfläche ist an seiner ersten Stirnfläche mittels der Lötverbindung mit einer Plattenfläche - das ist insbesondere die freiliegende Oberfläche - der ersten Metallplatte verbunden ist und an seiner zweiten Stirnfläche mittels der weiteren Lötverbindung mit der Leiterbahn der Leiterplatte verbunden. Entsprechend kann jeder der weiteren Metallblöcke - insbesondere der zweite, dritte bzw. vierte Metallblock - jeweils eine erste
Stirnfläche und eine dazu entgegengesetzt weisende zweite Stirnfläche aufweisen, an seiner ersten Stirnfläche mittels der jeweiligen weiteren Lötverbindung mit einem jeweiligen weiteren elektrischen Anschluss - d.h. insbesondere mit dem zweiten bzw. dritten bzw. vierten elektrischen Anschluss - des
Halbleiterbauelements verbunden sein und an seiner zweiten Stirnfläche mit einer jeweiligen weiteren Leiterbahn der Leiterplatte mittels einer Lötverbindung verbunden sein. Derartige Ausführungsformen sind besonders gut für die
SMD-Montage geeignet. Die Lötverbindung an der ersten Stirnfläche und/oder die Lötverbindung an der zweiten Stirnfläche des jeweiligen Metallblocks kann vorzugsweise mittels
Reflowlöten ausgeführt sein. Es ist bevorzugt, dass die Leiterbahn, die mittels einer Lötverbindung mit einem Metallblock verbunden ist, Bestandteil einer Außenlage der Leiterplatte ist, oder dass jede Leiterbahn, die mittels einer Lötverbindung mit einem Metallblock verbunden ist, Bestandteil einer Außenlage der Leiterplatte ist.
Bei einer Ausführungsform erstrecken sich alle ersten Stirnflächen der Metallblöcke der Metallblock-Gruppe - das sind insbesondere der erste Metallblock und der weitere Metallblock bzw. die weiteren Metallblöcke, z.B. der zweite Metallblock oder der zweite und dritte Metallblock oder der zweite, dritte und vierte Metallblock - in einer ersten Ebene und alle zweiten Stirnflächen der Metallblöcke der
Metallblock-Gruppe in einer zweiten Ebene, wobei die erste Ebene und die zweite Ebene insbesondere parallel zueinander sind.
Bei einer Ausführungsform sind die Metallblöcke der Metallblock-Gruppe
zueinander seitlich angeordnet. Zueinander seitlich bedeutet in Bezug auf eine beliebig orientierte Bezugsebene nebeneinanderliegend, wobei der Begriff nebeneinander keine Festlegung auf eine Anordnung in einer Reihe bedeutet, sondern je nach Bedarf verschiedene Anordnungen möglich sind. Vorzugsweise sind die Metallblöcke in Draufsicht auf eine Haupterstreckungsebene der
Leiterplatte zueinander versetzt angeordnet.
Bei einer Weiterbildung sind die Metallblöcke der Metallblock-Gruppe an ihren seitlichen Mantelflächen teilweise oder vollständig von einer ihnen gemeinsamen, elektrisch isolierenden Ummantelung ummantelt. Die Ummantelung ist
insbesondere aus Kunststoff hergestellt; mit anderen Worten handelt es sich bei der Ummantelung um einen Kunststoffkörper, mit dem die Metallblöcke beispielsweise umspritzt sind. Insbesondere ist die Metallblock-Gruppe vorgefertigt. Mit anderen Worten sind die Metallblöcke der Metallblock-Gruppe durch die Ummantelung zueinander ortsfest fixiert, wobei die ortsfeste Fixierung vorzugsweise vor der Verbindung - insbesondere vor dem Verlöten - der ummantelten Metallblock-Gruppe mit der Leiterplatte erfolgt. Auf diese Weise ist die Leiterplatte besonders einfach mit der ummantelten Metallblock-Gruppe und dem Bauelement bestückbar. Eine besonderes einfache und/oder genaue Ausrichtung der
Metallblöcke zueinander und zu den Leiterbahnen der Leiterplatte bzw. den elektrischen Anschlüssen des Bauelements ist so erzielbar.
Eine einfache und dadurch preiswerte Formgebung kann dadurch erreicht werden, dass der Metallblock oder dass ein jeweiliger Metallblock in jeder zu der ersten Ebene und/oder zu der zweiten Ebene parallelen Ebene einen ihm zugeordneten einheitlichen Querschnitt aufweist. Das bedeutet, dass bei Betrachtung eines einzelnen Metallblocks dieser einen einheitlichen Querschnitt aufweist, wobei aber bei Betrachtung mehrerer Metallblöcke diese im Vergleich zueinander in den genannten Ebenen gleiche oder unterschiedliche Querschnitte aufweisen können. Beispielsweise sind die Metallblöcke quaderförmig und haben insbesondere zur ersten und zweiten Ebene parallele Seiten. Im Hinblick auf eine zweckmäßige SMD-Montage und/oder vorteilhafte Wärmespreizung kann bei einer Weiterbildung der Querschnitt des ersten Metallblocks größer, zumindest um ein Mehrfaches größer, als der Querschnitt des weiteren Metallblocks bzw. als der Querschnitt jedes weiteren Metallblocks sein.
Bei einer Ausführungsform ist die erste Stirnfläche des ersten Metallblocks größer als die Plattenfläche der ersten Metallplatte. Insbesondere erstreckt sich die Lötverbindung zwischen der ersten Metallplatte und dem ersten Metallblock in dem gesamten Bereich, in dem die Plattenfläche die erste Stirnfläche (16) des ersten Metallblocks überlappt. So ist eine besonders gute Wärmespreizung erzielbar. Beispielsweise ragt der erste Metallblock lateral über die erste Metallplatte hinaus. Eine Kantenlänge des Metallblocks ist in der Richtung, in der er lateral über die Metallplatte hinausragt, vorzugsweise um mindestens 30% größer als die
Kantenlänge der Metallplatte in dieser Richtung.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform weist jede Lötverbindung eine
Lötzinnschicht auf. Bei einer weiteren Ausführungsform weist an dem Metallblock oder an den Metallblöcken die jeweilige erste Stirnfläche und die jeweilige zweite Stirnfläche eine für einen Lötprozess geeignete Passivierung auf.
Bei einer Ausführungsform weist der erste Metallblock eine erste Stirnfläche und eine dazu entgegengesetzt weisende zweite Stirnfläche auf, ist an seiner ersten Stirnfläche mittels der Lötverbindung mit einer Plattenfläche der ersten Metallplatte verbunden und an seiner zweiten Stirnfläche mittels der weiteren Lötverbindung mit dem in die Leiterplatte eingelassenen ersten Metallkörper verbunden. Bei einer Weiterbildung weit der zweite Metallblock eine erste Stirnfläche und eine dazu entgegengesetzt weisende zweite Stirnfläche auf, ist an seiner ersten Stirnfläche mittels einer Lötverbindung mit dem zweiten elektrischen Anschluss des
Halbleiterbauelements verbunden und an seiner zweiten Stirnfläche mit einem in die Leiterplatte eingelassenen zweiten Metallkörper verbunden. Zudem kann der dritte Metallblock eine erste Stirnfläche und eine dazu entgegengesetzt weisende zweite Stirnfläche aufweisen, an seiner ersten Stirnfläche mittels einer
Lötverbindung mit einem dritten elektrischen Anschluss des Halbleiterbauelements verbunden sein und an seiner zweiten Stirnfläche mit einem in die Leiterplatte eingelassenen dritten Metallkörper verbunden sein, wobei insbesondere
vorgesehen ist, dass ein vierter Metallblock eine erste Stirnfläche und eine dazu entgegengesetzt weisende zweite Stirnfläche aufweist, an seiner ersten Stirnfläche mittels einer Lötverbindung mit einem vierten elektrischen Anschluss des
Halbleiterbauelements verbunden ist und an seiner zweiten Stirnfläche mit einem in die Leiterplatte eingelassenen vierten Metallkörper verbunden ist.
Bei einer Ausführungsform hat die freiliegende Montagefläche der Leiterbahn, auf welchen der erste Metallblock gelötet ist, oder der in die Leiterplatte eingelassene erste Metallkörper in Bezug auf die Haupterstreckungsebene der Leiterplatte eine im Vergleich zu dem ersten Metallblock größere flächenmäßige Erstreckung.
Beispielsweise ist die Fläche des Metallkörpers bzw. der Montagefläche in
Draufsicht auf die Haupterstreckungsebene der Leiterplatte um mindestens 30% größer als die Fläche des ersten Metallblocks. Dies ermöglicht eine nochmalige Wärmespreizung und eine besonders hohe Gesamt-Wärmespreizung. Gemäß einer Ausführungsform sind ein Pin eines zweiten elektrischen
Anschlusses und insbesondere ein Pin eines dritten elektrischen Anschlusses und insbesondere ein Pin eines vierten elektrischen Anschlusses des
Halbleiterbauelements auf jeweilige weitere Leiterbahnen der Leiterplatte und/oder auf in die Leiterplatte eingelassene weitere Metallkörper aufgelötet oder alternativ mittels Durchsteckmontage an jeweilige weitere Leiterbahnen der Leiterplatte und/oder an in die Leiterplatte eingelassene weitere Metallkörper angelötet. Bei dieser Ausführungsform kann die Anordnung beispielsweise lediglich den ersten Metallblock - und keine Metallblock-Gruppe mit weiteren Metallblöcken - aufweisen.
Zum Auflöten auf Leiterbahnen können die Pins vorzugsweise als sog. SMD-Pins ausgeführt sein (SMD = Surface-Mount Device). Hierbei ist wegen des ersten Metallblocks zu beachten, dass den SMD-Pins ausreichend Lotvolumen zur Verfügung gestellt wird, um den sich ergebenden Höhenunterschied zu
überbrücken. Gemäß einer einfachen und preiswerten Ausführungsform ist vorgesehen, dass sich betreffend einen jeweiligen Metallblock auf seiner jeweiligen ersten Stirnfläche und auf seiner jeweiligen zweiten Stirnfläche im Bereich der Lötverbindung eine Lötzinnschicht befindet und/oder dass sich zwischen einem jeweiligen Pin und einer mit dem Pin verlöteten Leiterbahn (8) im Bereich der Lötverbindung eine Lötzinnschicht befindet.
Bei einer Ausführungsform besteht der Metallblock aus Kupfer und/oder der mindestens eine weitere Metallblock besteht aus Kupfer. Kupfer besitzt sowohl eine gute elektrische Leitfähigkeit als auch eine gute thermische Wärmeleitfähigkeit und außerdem ein für die Erfindung geeignetes Wärmespeichervermögen. Andere, bei einer Ausgestaltung kupferhaltige, Legierungen sind für den Metallblock und/oder den mindestens einen weiteren Metallblock ebenfalls denkbar. Im Hinblick auf die auch wünschenswerte Wärmespeicherung ist bevorzugt, dass der Metallblock oder dass ein jeweiliger Metallblock senkrecht zu seiner ersten Stirnfläche eine Dicke aufweist, die einem Mehrfachen der Dicke der Leiterbahnen der Leiterplatte entspricht. Bei einer weiteren Ausführungsform hat der in die Leiterplatte eingelassene
Metallkörper und/oder ein jeweiliger in die Leiterplatte eingelassener weiterer Metallkörper - insbesondere der zweite und/oder dritte und/oder vierte Metallkörper - in einer zur Haupterstreckungsebene der Leiterplatte senkrechten Richtung eine Dicke, die zumindest einem Mehrfachen der Dicke der Leiterbahn bzw. der jeweiligen weiteren Leiterbahn in einem an den jeweiligen Metallkörper
angrenzenden Bereich entspricht. Bei einer weiteren Ausführungsform besteht der Metallkörper und/oder bestehen der/die weitere(n) Metallkörper aus Kupfer.
Insofern kann der oder kann jeder in die Leiterplatte eingelassene Metallkörper zusätzlich zu dem Metallblock oder den Metallblöcken als weitere Wärmesenke(n) dienen und Wärmepuffer bereitstellen, um kurzfristige Leistungsspitzen des Halbleiterbauelements mit Temperaturanstieg abzufedern.
Die Erfindung ist besonders dann vorteilhaft, wenn es sich, wie bei einigen bevorzugten Ausführungsformen, bei dem Halbleiterbauelement um ein
Leistungs-Halbleiterbauelement, insbesondere um einen
Leistungs-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (Leistungs-MOSFET) handelt. Insbesondere kann es sich um ein Halbleiterbauelement handeln, das bei bestimmungsgemäßem Betrieb eine Verlustleistung von 2 Watt oder mehr erzeugt und/oder das sich nach dem Einschalten bei bestimmungsgemäßem Betrieb um zumindest 10 Grad Celsius erwärmt. Insbesondere kann es sich um ein
Halbleiterbauelement handeln, das für einen Betrieb bei 24 V mit einer Stromstärke von zumindest 1 Ampere oder bei 48 V mit einer Stromstärke von bspw. 0,5 Ampere ausgelegt ist.
Hinsichtlich der Leiterplatte ist bevorzugt, dass es sich um eine
Standard-Leiterplatte handelt. Bei einer Ausführungsform handelt es sich bei der Leiterplatte um eine gedruckte Schaltung. Bei einer Weiterbildung weist die
Leiterplatte zwei äußere Kupferlagen und zwischen ihnen drei Prepregs mit einer Dicke von zumindest 0,4 Millimeter auf oder die Leiterplatte weist vier Kupferlagen und zwischen je zwei benachbarten Kupferlagen je zumindest ein Prepreg, bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung drei Prepregs, insbesondere mit einer Dicke von zumindest 0,4 Millimeter auf. Dabei wird unter dem Ausdruck "drei Prepregs mit einer Dicke von zumindest 0,4 Millimeter" insbesondere verstanden, dass die drei Prepregs zusammen eine Gesamtdicke von mindestens 0,4 Millimetern haben. Unter "Prepregs" werden insbesondere Platten verstanden, die mit Glasgewebe verstärktes (Epoxid-)Harz, zum Beispiel das unter der Bezeichnung FR-4 bekannte Material, aufweisen. Insbesondere handelt es sich bei den Prepregs um mit Reaktionsharzen vorimprägnierte textile Faser-Matrix-Halbzeuge, die bei
Fierstellung der Leiterplatte, vorzugsweise unter Temperatur- und/oder
Druck-Beaufschlagung ausgehärtet werden und somit bei der fertigen Leiterplatte ausgehärtet sind. Derartige Leiterplatten stehen als Standardleiterplatten zur Verfügung.
Bei einer Ausführungsform ist die Leiterplatte auf ihrer von dem
Halbleiterbauelement abgewandten Seite wärmeleitend, insbesondere mittels eines thermischen Interface, mit einer Wärmesenke verbunden, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Wärmesenke an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossen ist. Auf diese Weise ist eine besonders effiziente Abfuhr der im Betrieb von dem Halbleiterbauelement erzeugten Wärme erzielbar.
Mittels einzelner oder mehrerer der beschriebenen Merkmale kann der thermische Gesamtwiderstand zwischen einem wärmeerzeugenden
Leistungs-Halbleiterbauelement und der Wärmesenke unter Verwendung von Standard-Leiterplatten im Vergleich zu herkömmlichen Techniken erheblich verringert werden. Die auch als Substrat bezeichnete Leiterplatte, die eine von den Normen verlangte elektrische Basis-Isolation liefert, die gleichzeitig auch eine thermische Barriere herstellt und die sich im Wärmestrom zwischen dem
Halbleiterbauelement und der Wärmesenke befindet, wird zufolge einer ein- oder mehrfachen Wärmespreizung in einem großen Querschnitt von Wärme
durchströmt, so dass dennoch ein hoher Wärmestrom fließen kann. Als
Wärmesenke kommt dabei alternativ oder zusätzlich zu einer flüssigkeitsgekühlten Einrichtung auch ein Gerätegehäuse in Betracht. Dabei besteht hinsichtlich des Metallblocks bzw. der Metallblöcke weitgehende Gestaltungsfreiheit. Die
Anordnung ist besonders bei allen solchen elektronischen Baugruppen vorteilhaft, die eine hohe Verlustleistung haben und die den Anforderungen der Isolationskoordinantions-Standards genügen, wobei sich diese Anforderungen gemäß der vorliegenden Offenbarung vorteilhaft mit einer Standard-Leiterplatte erfüllen lassen.
Bei einer Ausführungsform handelt es sich bei der elektrischen Schaltung um eine Schaltung eines Ladegerätes (insbesondere eines sog. Onboard-Ladegerätes), um eine (Leistungs-)Endstufe, um eine Motorsteuerung oder um eine Schaltung eines sonstigen Gerätes zur Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen. In allen Anwendungen ermöglicht die Halbleiterbauelement-Anordnung eine effektive Entwärmung von Verlustwärme erzeugenden Leistungs-Halbleiterbauelementen.
Bei einem ersten Schritt eines Verfahrens zur Herstellung einer
Halbleiterbauelement-Anordnung werden die Leiterplatte, das
Halbleiterbauelement, das zumindest einen ersten elektrischen Anschluss aufweist, und zumindest ein Metallblock bereitgestellt. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung wird die vorgefertigte, ummantelte Metallblock-Gruppe mit dem ersten und dem mindestens einen weiteren Metallblock und der Ummantelung bereitgestellt.
Bei einem weiteren Verfahrensschritt wird der erste elektrische Kontakt mit einer ersten Stirnfläche des ersten Metallblocks mittels einer Lötverbindung und, insbesondere anschließend, eine zweite Stirnfläche des ersten Metallblocks, die auf der zu der ersten Stirnfläche entgegengesetzten Seite des ersten Metallblockes liegt, mittels einer Lötverbindung mit einer Leiterbahn der Leiterplatte oder, wenn in die Leiterplatte ein erster Metallkörper eingelassen ist, mittels des in die Leiterplatte integrierten Metallkörpers verbunden. Im Fall der Bereitstellung einer
vorgefertigten, ummantelten Metallblock-Gruppe wird insbesondere bei einem weiteren Verfahrensschritt - vorzugsweise zugleich mit der Herstellung der Lötverbindung zwischen der Leiterbahn bzw. dem Metallkörper und der zweiten Stirnfläche des ersten Metallblocks und/oder zugleich mit der Herstellung der Lötverbindung zwischen dem ersten elektrischen Kontakt und der ersten Stirnfläche des ersten Metallblocks - der weitere Metallblock (32, 33, 34) der vorgefertigten, ummantelten Metallblock-Gruppe mittels einer Lötverbindung (14) zwischen den weiteren elektrischen Anschluss (22, 23, 24) und die Leiterplatte (5) zwischengeschaltet.
Hinsichtlich möglicher Weiterbildungen, Vorteile und Wirkungen wird auf die übrige Beschreibung Bezug genommen. Bei einer Ausführungsform wird der erste elektrische Anschluss mit einer Metallplatte (sog. Heatslug) eines
Bauelemente-Gehäuses des Halbleiter-Bauelements verbunden und/oder die Metallplatte wird mittels eines Oberflächenmontage-Prozesses (sog.
Surface-mounting Technology = SMT) - insbesondere mittels Reflowlöten - auf den als Kühlkörper und zur Wärmespreizung dienenden Metallblock aufgebracht. Bei einer Weiterbildung wird der Kühlkörper anschließend mittels eines weiteren SMT-Prozesses - insbesondere mittels Reflowlöten - auf der Leiterplatte, bevorzugt auf einer Leiterbahn oder auf einem in die Leiterplatte eingelassenen Metallkörper, fixiert.
Bei einer Ausführungsform weist die Entwärmungseinrichtung eine Mehrzahl von Metallblöcken auf, die zueinander seitlich angeordnet sind und die an ihren seitlichen Mantelflächen von einer ihnen gemeinsamen, elektrisch isolierenden Ummantelung ummantelt sind. Die Metallblöcke sind vorzugsweise aus Kupfer gefertigt. Die Ummantelung ist insbesondere aus Kunststoff hergestellt;
insbesondere sind die Metallblöcke mit der Kunststoff-Ummantelung umspritzt. Die Entwärmungseinrichtung mit den ummantelten Metallblöcken ist vorzugsweise zum Verlöten mit einer Leiterplatte vorgesehen. Insbesondere stellt die
Entwärmungseinrichtung die vorgefertigte Metallblock-Gruppe dar.
Bei einer Ausführungsform hat jeder Metallblock eine sich quer zu seiner
Mantelfläche erstreckende erste Stirnfläche und eine sich quer zu seiner
Mantelfläche erstreckende zweite Stirnfläche, wobei auf jeder ersten Stirnfläche und auf jeder zweiten Stirnfläche je eine Lötzinnschicht aufgebracht ist. Zu möglichen Weiterbildungen, Wirkungen und Vorteilen wird auf die übrige
Beschreibung - insbesondere hinsichtlich der Metallblock-Gruppe - Bezug genommen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben. Darin zeigt:
Fig. 1 schematisch eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen
Entwärmungseinrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine Stirnansicht der in Fig. 1 gezeigten Entwärmungseinrichtung in dortiger Blickrichtung II;
Fig. 3 eine Stirnansicht einer erfindungsgemäßen Entwärmungseinrichtung gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 in einer Schnittansicht eine erfindungsgemäße
Flalbleiterbauelement-Anordnung gemäß einem ersten bevorzugten
Ausführungsbeispiel;
Fig. 5 in einer Schnittansicht eine erfindungsgemäße
Flalbleiterbauelement-Anordnung gemäß einem zweiten bevorzugten
Ausführungsbeispiel;
Fig. 6a in einer Schnittansicht eine erfindungsgemäße
Flalbleiterbauelement-Anordnung gemäß einem dritten bevorzugten
Ausführungsbeispiel und
Fig. 6b eine Draufsicht der in Fig. 6a gezeigten
Flalbleiterbauelement-Anordnung in dortiger Blickrichtung Vlb.
Beschreibung der Ausführungsformen
Die in Figur 4 gezeigte Flalbleiterbauelement-Anordnung 1 umfasst die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Entwärmungseinrichtung 2, so dass die Beschreibung im Zusammenhang erfolgt. Die Halbleiterbauelement-Anordnung 1 umfasst ein Halbleiterbauelement 3, das in ein Gehäuse 4 eingebaut ist und das daher in den Figuren nicht in näherer Einzelheit dargestellt ist. In dem Beispiel handelt es sich um ein sog. Leistungs-MOSFET, d. h. um einen
Leistungs-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor. Das Halbleiterbauelement 3 ist mittels der Entwärmungseinrichtung 2 an eine Leiterplatte 5 angeschlossen, die in dem Beispiel drei, in der Darstellung zu einer elektrisch und thermisch
isolierenden Zwischenlage 6 zusammengefasste sog. Prepregs aufweist, sowie zwei äußere Kupferlagen 7. Figur 4 zeigt schematisch, dass die obere Kupferlage 7 mehrere Leiterbahnen 8 aus Kupfer umfasst, die zur Vereinfachung einheitlich das gleiche Bezugszeichen tragen. In Verbindung mit den Figuren 1 und 2 wird deutlich, dass die Kupferlage 7 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zumindest vier Leiterbahnen 8 umfasst, von denen sich eine Leiterbahn auf der in Figur 4 linken Seite der sich streifenförmig senkrecht zu der Zeichenebene erstreckenden Lücke 9 befindet und von denen sich die drei weiteren Leiterbahnen 8 auf der rechten Seite der Lücke 9 befinden und ihrerseits voneinander mittels weiteren, in der
Schnittebene nicht sichtbaren, streifenförmigen und zu der Lücke 9 quer verlaufenden Lücken voneinander getrennt sind. Auf ihrer von dem
Halbleiterbauelement 3 abgewandten Seite ist die Leiterplatte 5 mittels eines sog. thermischen Interface 10 mit einer Wärmesenke 1 1 verbunden, die mittels eines Kühlmittelkreislaufes, nicht mit dargestellt, von einem Kühlmittel (zum Beispiel von Wasser) zur Wärmeabfuhr durchströmt wird.
Das Halbleiterbauelement 3 besitzt einen ersten elektrischen Anschluss 21 , der von dem Gehäuse 4 verdeckt ist, einen zweiten elektrischen Anschluss 22, einen dritten elektrischen Anschluss 23 und einen vierten elektrischen Anschluss 24, wobei die dritten und vierten Anschlüsse 23, 24 in Figur 4 durch den zweiten Anschluss 22 verdeckt sind.
Die Entwärmungseinrichtung 2 umfasst einen vergleichsweise großen ersten Metallblock 31 , einen vergleichsweise kleineren in Figur 4 ebenfalls in
Schnittansicht gezeigten zweiten Metallblock 32 sowie einen dritten Metallblock 33 und einen vierten Metallblock 34, welche größenmäßig dem zweiten Metallblock 32 entsprechen und in Blickrichtung von Figur 4 hinter dem zweiten Metallblock 32 angeordnet sind. Die vier Metallblöcke 31 , 32, 33 und 34 bilden funktional eine vorgefertigte Metallblock-Gruppe zum Anschließen des Halbleiterbauelements 3 an die Leiterplatte 5. Dazu ist der erste Metallblock 31 zwischen den in dem Gehäuse 4 befindlichen Halbleiterbauelementen 3 und der Leiterplatte 5 angeordnet, und die Metallblöcke 32, 33 und 34 sind zwischen je einem der elektrischen Anschlüsse 22, 23 und 24 und der Leiterplatte 5 angeordnet.
In dem Beispiel ist der erste elektrische Anschluss 21 mit einer an dem Gehäuse 4 befestigten ersten Metallplatte 13 (sog. Heatslug) metallisch verbunden. Die Metallplatte 13 und dadurch der erste elektrische Anschluss 21 ist mittels einer Lötverbindung 14, welche die in Figur 4 geschnittene Lötzinnschicht 15 aufweist, elektrisch leitfähig mit dem ersten Metallblock 31 verbunden. Aus Figur 1 ist ersichtlich, dass die Lötzinnschicht 15 auf einer ersten Stirnfläche 16 des ersten Metallblocks 31 aufgebracht ist. Die erste Stirnfläche 16 des ersten Metallblockes 31 liegt in einer gemeinsamen ersten Ebene 18 zusammen mit einer ersten
Stirnfläche 16 des zweiten Metallblocks 32, mit einer ersten Stirnfläche 16 des dritten Metallblockes 33 und mit einer ersten Stirnfläche 16 des vierten
Metallblockes 34. Entsprechend liegt auf der entgegengesetzten Seite eine zweite Stirnfläche 17 des ersten Metallblockes 31 in einer zweiten Ebene 20 gemeinsam mit einer zweiten Stirnfläche 17 des zweiten Metallblockes 32, mit einer zweiten Stirnfläche 17 des dritten Metallblockes 33 und mit einer zweiten Stirnfläche 17 des vierten Metallblockes 34. Auf jeder ersten Stirnfläche 16 und auf jeder zweiten Stirnfläche 17 ist in dem Beispiel eine Lötzinnschicht 15 aufgebracht. Der erste Metallblock 31 ist mittels der auf seiner zweiten Stirnfläche 17 angebrachten Lötzinnschicht 15 mit der in Figur 4 darunter liegenden Leiterbahn 8 der Leiterplatte 5 elektrisch leitfähig verbunden. Wie aus den Figuren deutlich wird, sind zur Übersicht sämtliche Lötzinnschichten einheitlich mit 15 bezeichnet und sind zur Übersicht alle aus je einer Lötzinnschicht 15 gebildete Lötverbindungen einheitlich mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnet. Figur 4 zeigt in der Schnittansicht eine Plattenfläche 19 der ersten Metallplatte 13, die mit der Lötzinnschicht 15 verbunden wurde. Wie besonders aus den Figuren 1 und 2 deutlich wird, sind die Metallblöcke 31 , 32, 33, 34 zueinander seitlich angeordnet. Figur 2 zeigt ihre in Bezug auf die
Zeichenebene verteilte Anordnung nebeneinander. In dem Beispiel besitzen die drei Metallblöcke 32, 33, 34 zueinander identische Abmessungen und sind in Bezug auf eine Querrichtung Q der Entwärmungseinrichtung 2 mit jeweiligen
Zwischenabständen in einer Reihe angeordnet. Der im Vergleich dazu größere Metallblock 31 ist davon in einer zu der Querrichtung Q senkrechten Längsrichtung L beabstandet. Figur 1 zeigt, dass die seitlichen Mantelflächen 25 der Metallblöcke
31 - 34 in deren nahezu gesamten Höhe von einer ihnen gemeinsamen, elektrisch isolierenden Ummantelung 26 aus Kunststoff ummantelt sind. Die Metallblöcke 31 - 34 bilden gemeinsam mit der Ummantelung, welche die Metallblöcke 31 34 zueinander ortsfest fixiert, die vorgefertigte Metallblock-Gruppe. Bei der
Bestückung der Leiterplatte 5 zur Herstellung der Halbleiterbauelement-Anordnung 1 wird die Metallblock-Gruppe mit den ummantelten Metallblöcken 31 - 34 als ein Bauteil auf die Leiterplatte aufgebracht und nachfolgend mit den Leiterbahnen 8 und/oder den elektrischen Anschlüssen 21 - 24 verlötet.
In zu den Stirnfläche 16, 17 senkrechten Querschnittsebenen ist der Querschnitt des ersten Metallblockes 31 jeweils größer als der Querschnitt der übrigen
Metallblöcke 32 - 34. Figur 4 zeigt, dass die erste Stirnfläche 16 des ersten Metallblockes 31 und die flächenmäßige Ausdehnung der darauf gebildeten Lötzinnschicht 15 größer sind als die angrenzende Plattenfläche 19 der Metallplatte 13, die als sog. Heatslug an dem Gehäuse 4 befestigt ist.
Ebenfalls aus Figur 4 wird deutlich, dass ein Pin 22 des zweiten elektrischen Anschlusses 22, der an seinem freien Ende parallel zu der auf dem zweiten Metallblock 32 aufgebrachten Lötzinnschicht 15 abgewinkelt ist, mittels der
Lötzinnschicht 15 auf der ihm zugewandten Stirnfläche 16 des zweiten Metallblocks
32 aufgelötet ist. In seiner entgegengesetzten Stirnfläche 17 ist der Metallblock 32 mittels der dort aufgebrachten Lötzinnschicht 15 auf der in Figur 4 auch gezeigten, rechts neben der Lücke 9 verlaufenden Leiterbahn 8 aufgelötet. In dem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass alle Metallblöcke 31 , 32, 33, 34 aus Kupfer bestehen.
Die Ausführung mit zweitem, dritten und viertem elektrischen Anschluss 22, 23, 24 zusätzlich zum ersten elektrischen Anschluss 21 ist lediglich beispielhaft gewählt. Ist das Halbleiterbauelement 3 beispielsweise ein MOSFET, hat es in der Regel nur den ersten 21 , sowie zwei weitere elektrische Anschlüsse 22, 23. Entsprechend hat die Entwärmungsvorrichtung neben dem ersten Metallblock 31 in diesem Fall zweckmäßig nur zwei weitere Metallblöck 32, 33. Ausführungsformen mit einer größeren Anzahl von weiteren elektrischen Anschlüssen und weiteren
Metallblöcken - z.B. fünf - sind ebenfalls denkbar.
Figur 3 zeigt ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Entwärmungsvorrichtung 2. Dabei sind zum Anschluss von zwei Halbleiterbauelementen 3 an eine Leiterplatte 5 zwei Metallblock-Gruppen, von denen jede die vier in den Figuren 1 und 2 gezeigten Metallblöcke 31 - 34 umfasst, von einer gemeinsamen isolierenden Ummantelung 26 ummantelt.
Das in Figur 5 gezeigte, zweite bevorzugte Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement-Anordnung 1 unterscheidet sich von der Ausführungsform von Figur 4 darin, dass nur der erste Metallblock 31 vorhanden ist. Die Metallblöcke 32 - 34 und die Ummantelung 26 sind nicht vorhanden. Der Metallblock 31 ist mittels der beiden von je einer Lötzinnschicht 15 gebildeten Lötverbindung 14 zwischen die Metallplatte 13 (Heatslug) des Gehäuses 4 und eine Leiterbahn 8 eingelötet und dadurch im thermischen Pfad zwischen das
Halbleiterbauelement 3 und die Leiterplatte 5 zwischengeschaltet. Ein Pin 22' des zweiten elektrischen Anschlusses 22 des Halbleiterbauelements 3 wurde im
Vergleich zu der Ausführungsform von Figur 4 verlängert und ist an seinem freien, wieder abgewinkelten Längsende mittels einer von einer Lötzinnschicht 15 gebildeten Lötverbindung 14 auf eine Leiterbahn 8 aufgelötet, die mittels der Lücke 9 von der mit dem ersten elektrischen Anschluss 21 elektrisch verbundenen Leiterbahn 8 elektrisch entkoppelt ist. Wie in Figur 4 sind ein Pin 23' eines dritten elektrischen Anschlusses 23 und ein Pin 24' eines vierten elektrischen Anschlusses 24 des Halbleiterbauelements von dem Pin 22' verdeckt, jedoch wie der Pin 22' in entsprechender Weise an weitere Leiterbahnen 8 aufgelötet.
Die Figuren 6a und 6b zeigen ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement-Anordnung 1 , wobei wiederum zu den vorangehenden Ausführungsformen entsprechend oder vergleichbare Einzelheiten mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. In die Leiterplatte 5 ist ein erster Metallkörper 27, davon seitlich beanstandet ein zweiter Metallkörper 28 und in Blickrichtung von Figur 6a dahinter beabstandet ein dritter Metallkörper 29 eingelassen, so dass die jeweilige freiliegende Metalloberfläche in dem Beispiel bündig mit einer Oberseite der Leiterplatte 5 abschließt. Ein erster Metallblock 31 , der wie die Metallkörper 27 - 30 aus Kupfer besteht, ist mittels einer aus einer Lötzinnschicht 15 gebildeten Lötverbindung 14 flächig auf den ersten Metallkörper 27 aufgelötet. Auf die entgegengesetzte Oberfläche des Metallkörpers 31 ist mittels einer von einer Lötzinnschicht 15 gebildeten weiteren Lötverbindung 14 wiederum ein in einem Gehäuse 4 aufgenommenes Halbleiterbauelement 3, bei dem es sich um ein Leistungs-Halbleiterbauelement handelt, aufgelötet. Dabei ist mit der Metallplatte 13, die an die Lötzinnschicht 15 angrenzt, wiederum ein erster elektrischer Kontakt 22 des Halbleiterbauelementes 3 angeschlossen.
Wie dargestellt, ist der Wärmeleitquerschnitt der ersten Metallplatte 31 größer als derjenige der Metallplatte 13 (Heatslug), und der Wärmeleitquerschnitt des ersten Metallkörpers 27 ist größer als der Wärmeleitquerschnitt des ersten Metallblockes 31 . Es wird somit eine mehrfache, d. h. additive Wärmespreizung erreicht.
Der erste Metallkörper 27 kann in dem zugeordneten Hohlraum der Leiterplatte 5 zum Beispiel unter Verwendung von Masken galvanisch aus mehreren aufeinander aufgebrachten Kupferschichten gebildet worden sein.
In dem Beispiel besitzt das Halbleiterbauelement 3 noch einen zweiten elektrischen Anschluss 2 und einen dritten elektrischen Anschluss 23, von denen jeweils Pins 22', 23' aus dem Gehäuse 4 herausführen. Die Pins 22' und 23' sind abgewinkelt. Dabei verläuft der Pin 22' an dem abgewinkelten Abschnitt durch eine in den zweiten Metallkörper 28 eingebrachte Durchgangsbohrung, mit deren
Bohrungswandung der Pin 22' verlötet worden ist. Der Pin 23' ist auf entsprechende Weise durch eine Durchgangsbohrung in dem dritten Metallkörper 29
hindurchgeführt und mit dessen Wandung elektrisch leitfähig verlötet. In einer zu der Leiterplatte 5 senkrechten Betrachtungsebene ist somit die Dicke der
Metallkörper 27 - 29 erheblich größer als die Dicke der Leiterbahnen 8. Dabei kann der erste Metallkörper 27 und/oder der zweite Metallkörper 28 und/oder der dritte Metallkörper 29 mit einer jeweiligen Leiterbahn 8 der Leiterplatte 5 (in Figur 6 nicht mit dargestellt) elektrisch verbunden sein.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Ausführungsbeispielen und Patentansprüchen beinhaltet.

Claims

Patentansprüche:
1 . Halbleiterbauelement-Anordnung (1 ), zumindest aufweisend ein
Halbleiterbauelement (3), das einen ersten elektrischen Anschluss (21 ) und mindestens einen weiteren elektrischen Anschluss (22, 23, 24) aufweist, und eine Leiterplatte (5), dadurch gekennzeichnet, dass die
Halbleiterbauelement-Anordnung (1 ) eine vorgefertigte Metallblock-Gruppe enthält, wobei die Metallblock-Gruppe einen ersten Metallblock (31 ) aufweist, der zwischen dem Halbleiterbauelement (3) und der Leiterplatte (5) angeordnet ist, der mit dem ersten elektrischen Anschluss (21 ) des Halbleiterbauelements (3) mittels einer Lötverbindung (14) verbunden ist und der mit zumindest einer Leiterbahn (8) der Leiterplatte (5) mittels einer weiteren Lötverbindung (14) verbunden ist,
wobei die Metallblock-Gruppe mindestens einen weiteren Metallblock (32, 33, 34) aufweist, der mittels einer Lötverbindung (14) zwischen den weiteren elektrischen Anschluss (22, 23, 24) und die Leiterplatte (5) zwischengeschaltet ist, und wobei die Metallblöcke (31 , 32, 33, 34) der vorgefertigten Metallblock-Gruppe zueinander seitlich angeordnet sind und an ihren seitlichen Mantelflächen (25) teilweise oder vollständig von einer ihnen gemeinsamen, elektrisch isolierenden Ummantelung (26), die insbesondere aus Kunststoff hergestellt ist, ummantelt sind.
2. Halbleiterbauelement-Anordnung (1 ) gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei ein Abschnitt der Leiterbahn (8) von einem Metallkörper (27) gebildet ist, der in die Leiterplatte (5) eingelassen ist, der erste Metallblock (31 ) zwischen dem Halbleiterbauelement (3) und dem Metallkörper (27) angeordnet ist und der erste Metallblock (31 ) mit dem in die Leiterplatte (5) eingelassenen ersten Metallkörper mittels (27) der weiteren Lötverbindung (14) verbunden ist.
3. Halbleiterbauelement-Anordnung (1 ) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pin (22') eines zweiten elektrischen Anschlusses (22) und insbesondere ein Pin (23') eines dritten elektrischen
Anschlusses (23) und insbesondere ein Pin (24') eines vierten elektrischen
Anschlusses (24) des Halbleiterbauelements (3) auf Leiterbahnen (8) der
Leiterplatte (5) und/oder auf in die Leiterplatte (5) eingelassene Metallkörper (27, 28, 29) aufgelötet sind oder alternativ mittels Durchsteckmontage an Leiterbahnen (8) der Leiterplatte (5) und/oder an in die Leiterplatte (5) eingelassene Metallkörper (27, 28, 29) angelötet sind.
4. Halbleiterbauelement-Anordnung (1 ) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement (3) in ein Gehäuse (4) eingebaut ist, wobei der erste elektrische Anschluss (21 ) des
Halbbauleiterelements (3) mit einer an dem Gehäuse (4) befestigten ersten
Metallplatte (13) verbunden ist.
5. Halbleiterbauelement-Anordnung (1 ) gemäß dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Metallblock (31 ) eine erste Stirnfläche (16) und eine dazu entgegengesetzt weisende zweite Stirnfläche (17) aufweist, an seiner ersten Stirnfläche (16) mittels der Lötverbindung (14) mit einer Plattenfläche (19) der ersten Metallplatte (13) verbunden ist und an seiner zweiten Stirnfläche (17) mittels der weiteren Lötverbindung (14) mit der Leiterbahn (8) der Leiterplatte (5) verbunden ist.
6. Halbleiterbauelement-Anordnung (1 ) gemäß dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, , dass der eine weitere Metallblock (32, 33, 34) bzw. jeder der weiteren Metallblöcke (32, 33, 34) eine erste Stirnfläche (16) und eine dazu entgegengesetzt weisende zweite Stirnfläche (17) aufweist, an seiner ersten Stirnfläche (16) mittels einer Lötverbindung (14) mit dem weiteren elektrischen Anschluss (22, 23, 24) bzw. einem der weiteren elektrischen Anschlüsse (22, 23, 24) des Halbleiterbauelements (3) verbunden ist und an seiner zweiten Stirnfläche (17) mit einer weiteren Leiterbahn (8) der Leiterplatte (5) mittels einer weiteren Lötverbindung (14) verbunden ist und
dass sich alle ersten Stirnflächen (16) der Metallblöcke (31 , 32, 33, 34) der
Metallblock-Gruppe in einer ersten Ebene (18) erstrecken und dass sich alle zweiten Stirnflächen (17) der Metallblöcke (31 , 32, 33, 34) der Metallblock-Gruppe in einer zweiten Ebene (20) erstrecken, wobei die erste Ebene (18) und die zweite Ebene (20) insbesondere parallel zueinander sind.
7. Halbleiterbauelement-Anordnung (1 ) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stirnfläche (16) des ersten Metallblocks (31 ) größer als die Plattenfläche (19) der ersten Metallplatte (13) ist und insbesondere dass sich die Lötverbindung (14) zwischen der ersten
Metallplatte (13) und dem ersten Metallblock (31 ) in dem gesamten Bereich, in dem die Plattenfläche (19) die erste Stirnfläche (16) des ersten Metallblocks (31 ) überlappt, erstreckt.
8. Halbleiterbauelement-Anordnung (1 ) gemäß Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 7 unter direktem oder indirektem Rückbezug auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der in die Leiterplatte (5) eingelassene erste
Metallkörper (27) in Bezug auf eine Haupterstreckungsebene der Leiterplatte (5) eine im Vergleich zu dem ersten Metallblock (31 ) größere flächenmäßige
Erstreckung hat.
9. Halbleiterbauelement-Anordnung (1 ) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallblock (31 ) oder dass ein jeweiliger Metallblock (31 , 32, 33, 34) senkrecht zu seiner ersten Stirnfläche (16) eine Dicke aufweist, die einem Mehrfachen der Dicke der Leiterbahnen (8) der Leiterplatte (5) entspricht.
10. Halbleiterbauelement-Anordnung (1 ) gemäß Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 9 unter direktem oder indirektem Rückbezug auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der in die Leiterplatte (5) eingelassene Metallkörper (27) in einer zu der Haupterstreckungsebene der Leiterplatte (5) senkrechten Richtung eine Dicke aufweist, die zumindest einem Mehrfachen der Dicke der Leiterbahn (8) in einem an den Metallkörper (27) angrenzenden Bereich entspricht.
1 1 . Halbleiterbauelement-Anordnung (1 ) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (5) auf ihrer von dem Halbleiterbauelement (3) abgewandten Seite wärmeleitend, insbesondere mittels eines thermischen Interface (10), mit einer Wärmesenke (1 1 ) verbunden ist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Wärmesenke (1 1 ) an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossen ist.
12. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterbauelement-Anordnung (1 ) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend die Verfahrensschritte:
- Bereitstellen der Leiterplatte (5), des Halbleiterbauelements (3) und der vorgefertigten, ummantelten Metallblock-Gruppe,
- Verbinden des ersten elektrischen Kontaktes (21 ) mit einer ersten Stirnfläche (16) des ersten Metallblocks (31 ) der vorgefertigten, ummantelten Metallblock-Gruppe mittels einer Lötverbindung (14) und, insbesondere anschließend,
- Verbinden einer zweiten Stirnfläche (17) des ersten Metallblocks (31 ) der vorgefertigten, ummantelten Metallblock-Gruppe, die auf der zu der ersten
Stirnfläche (16) entgegengesetzten Seite des ersten Metallblockes (31 ) liegt, mittels einer Lötverbindung (14) mit einer Leiterbahn (8) der Leiterplatte (5) oder, wenn in die Leiterplatte (5) ein erster Metallkörper (27) eingelassen ist, mittels des in die Leiterplatte (5) integrierten Metallkörpers und
- Zwischenschalten des weiteren Metallblocks (32, 33, 34) der vorgefertigten, ummantelten Metallblock-Gruppe mittels einer Lötverbindung (14) zwischen den weiteren elektrischen Anschluss (22, 23, 24) und die Leiterplatte (5).
13. Entwärmungseinrichtung (2) zum Auflöten auf eine Leiterplatte (5) für eine Halbleiterbauelement-Anordnung (1 ), insbesondere für eine
Halbleiterbauelement-Anordnung (1 ) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend: eine Mehrzahl von Metallblöcken (31 , 32, 33, 34), insbesondere aus Kupfer, die zueinander seitlich angeordnet sind und die an ihren seitlichen
Mantelflächen (25) von einer ihnen gemeinsamen, elektrisch isolierenden
Ummantelung (26), die insbesondere aus Kunststoff hergestellt ist, ummantelt sind, wobei jeder Metallblock (31 , 32, 33, 34) eine sich quer zu seiner Mantelfläche (25) erstreckende erste Stirnfläche (16) und eine sich quer zu seiner Mantelfläche (25) erstreckende zweite Stirnfläche (17) aufweist und wobei auf jeder ersten Stirnfläche (16) und auf jeder zweiten Stirnfläche (17) je eine Lötzinnschicht (15) aufgebracht ist.
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