DE102010041714A1

DE102010041714A1 - Leistungshalbleitermodul und Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls

Info

Publication number: DE102010041714A1
Application number: DE102010041714A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. 59597 Schulz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2011-08-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit einem Schaltungsträger (2) und einer Bodenplatte (8). Der Schaltungsträger (2) umfasst einen flachen Isolationsträger (20), auf den eine mit einem Leistungshalbleiterchip (1) bestückte obere Metallisierung (21) aufgebracht ist. Die Bodenplatte (8) weist eine hermetisch dichte Kammer (80) auf, in der sich ein Kühlfluid (85) befindet. Mit seiner der oberen Metallisierung (21) abgewandten Unterseite ist der Schaltungsträger (2) stoffschlüssig mit der Bodenplatte (8) fest verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft Leistungshalbleitermodule mit einem oder mehreren Leistungshalbleiterchips. Einhergehend mit der zunehmenden Leistungsdichte der Leistungshalbleiterchips steigen die Anforderungen an deren Kühlung. Herkömmliche Leistungshalbleitermodule weisen eine massive metallische Bodenplatte auf, mittels der das Leistungshalbleitermodul an einem Kühlkörper montiert werden kann. Da sich die Leistungshalbleiterchips nur über einen Teil der Bodenplatte erstrecken, kommt es in dieser beim Betrieb des Moduls zu einer inhomogenen Wärmeverteilung, d. h. zu einer stark eingeschränkten Wärmespreizung, weshalb die Wärmeableitung von den Leistungshalbleiterchips zum Kühlkörper nicht optimal ist.
Grundsätzlich ist es denkbar, das Modul mittels einer Flüssigkeitskühlung zu kühlen, bei der durch eine modulexterne Kühl- und Pumpvorrichtung eine Kühlflüssigkeit von außen zugeführt wird, was jedoch mit einem hohen Aufwand verbunden ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Leistungshalbleitermodul und ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls mit einer effizienten, einfach realisierbaren Wärmespreizung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein Leistungshalbleitermodul gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls gemäß Patentanspruch 11 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Das nachfolgend erläuterte Leistungshalbleitermodul umfasst einen Schaltungsträger mit einem flachen Isolationsträger, auf den eine obere Metallisierung aufgebracht ist, welche mit einem oder mehreren Leistungshalbleiterchips bestückt ist. Außerdem ist eine Bodenplatte mit einer hermetisch dichten Kammer vorgesehen, in der sich ein Kühlfluid befindet. Mit seiner der oberen Metallisierung abgewandten Unterseite ist der Schaltungsträger stoffschlüssig mit der Bodenplatte fest verbunden.
Durch das Kühlfluid, bei dem es sich beispielsweise um Wasser, eine Wasser-Glykolmischung oder um ein Alkohol enthaltendes Kühlmittel handeln kann, weist die Bodenplatte eine erheblich bessere Wärmespreizung auf als eine herkömmliche massive Bodenplatte. Außerdem ist die Bodenplatte hermetisch dicht, d. h. es kann auf Anschlüsse zum Zuführen und/oder zum Abführen eines Kühlfluids in die/aus der hermetisch dichten Kammer während des Betriebs des Leistungshalbleitermoduls verzichtet werden.
Zur Herstellung eines solchen Leistungshalbleitermoduls wird eine Bodenplatte mit einer Kammer hergestellt. Außerdem wird ein Kühlfluid bereitgestellt, sowie ein Schaltungsträger mit einem flachen Isolationsträger, auf dem eine obere Metallisierung aufgebracht ist. Zwischen der der oberen Metallisierung abgewandten Unterseite des Schaltungsträgers und der Bodenplatte wird eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt und danach das Kühlfluid in die Kammer eingefüllt. Danach wird die Kammer hermetisch abgedichtet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
1 ein Leistungshalbleitermodul mit einer Bodenplatte, die eine hermetisch dichte Kammer aufweist, die teilweise mit einem Kühlfluid gefüllt ist;
2 ein Leistungshalbleitermodul, das sich von dem Leistungshalbleitermodul gemäß 1 dadurch unterscheidet, dass die Bodenplatte auf ihrer dem Schaltungsträger zugewandten Seite eine Wand aufweist, von der ausgehend sich mehrere Fortsätze in die Kammer hinein erstrecken;
3A zwei miteinander zu verbindende Bodenplattenelemente;
3B die Bodenplattenelemente gemäß 3A nach dem Verbinden;
3C die verbundenen Bodenplattenelemente gemäß 3B nach dem Einbringen einer Öffnung zum Einfüllen eines Kühlfluids in die Kammer;
3D die Bodenplatte gemäß 3C vor dem Verbinden mit einem mit Halbleiterchips bestückten Isolationsträger;
3E die Bodenplatte gemäß den 3C und 3D nach dem Verbinden mit einem mit Halbleiterchips bestückten Isolationsträger;
3F die Anordnung gemäß 3E nach dem Einfüllen eines Kühlfluids in die Kammer;
3G die Anordnung gemäß 3F nach dem hermetischen Abdichten der Kammer;
4A zwei miteinander zu verbindende Bodenplattenelemente, von denen jedes einen ringförmigen Flansch zum Verbinden der Bodenplattenelemente aufweist;
4B die Bodenplattenelemente gemäß 4A nach dem Verbinden;
4C ein Leistungshalbleitermodul mit einer gemäß 4B ausgebildeten Bodenplatte, in deren hermetisch dichter Kammer sich ein Kühlfluid befindet;
5 das obere der in 4A gezeigten Bodenplattenelemente mit Blick auf dessen Flansch;
6A das obere in 4A gezeigte Bodenplattenelement nach dem Aufbringen einer Bonddrahtstruktur;
6B das mit der Bonddrahtstruktur versehene Bodenplattenelement nach dessen Verbindung mit einem weiteren Bodenplattenelement, das gemäß dem unteren der in 4A gezeigten Bodenplattenelemente ausgebildet ist;
6C das in 6A gezeigte Bodenplattenelement mit Blick auf die Bonddrahtstruktur;
6D einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul mit einer gemäß den 6A bis 6C aufgebauten und mit einem Kühlfluid gefüllten Bodenplatte; und
7 einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul mit einer mit einem Kühlfluid gefüllten Bodenplatte, in die Hülsen zur Befestigung des Moduls an einem Kühlkörper eingesetzt sind, die sich durch die hermetisch dichte Kammer hindurch erstrecken.
Die nachfolgende ausführliche Beschreibung bezieht sich auf die begleiteten Zeichnungen, welche einen Teil der Beschreibung bilden, und in denen anhand konkreter Ausgestaltungen erläutert wird, auf welche Weise die Erfindung realisiert werden kann. Diesbezügliche Richtungsangaben wie z. B. ”oben”, ”unten”, ”vorne” ”hinten” ”vordere” ”hintere” etc. werden in Bezug auf die Ausrichtung der erläuterten Figuren verwendet. Da die Elemente in den Ausgestaltungen in einer Vielzahl von verschiedenen Ausrichtungen angeordnet werden können, dient die richtungsgebundene Terminologie lediglich zur anschaulichen Erläuterung und ist in keiner Weise als beschränkend zu verstehen. Es wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung auch andere Ausgestaltungen umfassen kann. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Merkmale der verschiedenen, nachfolgend beschriebenen beispielhaften Ausgestaltungen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht ausdrücklich etwas anders erwähnt ist, oder sofern nicht die Kombination bestimmter Merkmale aus technischen Gründen unmöglich ist.
1 zeigt einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul 100 mit einer Bodenplatte 8, die eine hermetisch dichte Kammer 80 aufweist, die nicht vollständig sondern nur teilweise mit einem Kühlfluid 85 gefüllt ist. Auf der der Kammer 80 abgewandten Oberseite 8t der Bodenplatte 8 sind ein, optional auch mehrere Schaltungsträger 2 angeordnet. Jeder der Schaltungsträger 2 umfasst einen flachen Isolationsträger 20, auf den zumindest eine obere Metallisierungsschicht 21 aufgebracht ist, die zu Leiterbahnen strukturiert sein kann. Optional kann der Schaltungsträger 2 auf der der oberen Metallisierungsschicht 21 abgewandten Seite des Isolationsträgers 20 eine untere Metallisierungsschicht 22 aufweisen. Bei dem Isolationsträger 20 kann es sich z. B. um ein Keramikplättchen handeln, das beispielsweise aus Aluminiumoxid (Al2O3), Aluminiumnitrid (AlN), Berylliumoxid (BeO), oder aus einem beliebigen anderen elektrisch isolierenden Keramikmaterial besteht. Grundsätzlich jedoch kann der Isolationsträger 20 auch aus einem beliebigen anderen elektrisch isolierenden Material wie z. B. Kunststoff bestehen. Der Schaltungsträger 2 kann z. B. als DCB-Substrat (DCB = Direct Copper Bonding), als AMB-Substrat (AMB = Active Metal Brazing), oder als DAB-Substrat (DAB = Direct Aluminium Bonding) ausgebildet sein. Die obere Metallisierungsschicht 21 und – sofern vorgesehen – die untere Metallisierungsschicht 22 sind elektrisch gut leitend, sie können z. B. vollständig oder überwiegend aus Kupfer bestehen, oder vollständig oder überwiegend aus Aluminium.
Die Befestigung des Schaltungsträgers 2 auf der Oberseite 8t der Bodenplatte 8 erfolgt mittels einer Verbindungsschicht 23. Diese kann beispielsweise als Weichlotschicht, als Diffusionslotschicht mit einer oder mehreren intermetallischen Phasen, als Silber enthaltende Sinterschicht, oder als Klebeschicht ausgebildet sein. Außerdem kann der Isolationsträger 20 auch unmittelbar durch eine DCB-Verbindung mit der Oberseite 8t der Bodenplatte 8 verbunden sein.
Auf der oberen Metallisierung 21 eines jeden Schaltungsträgers 2 können ein oder mehr Leistungshalbleiterchips 1 angeordnet sein, deren Betriebswärme über den betreffenden Schaltungsträger 2 an die Bodenplatte 8 abgeführt wird. Als Leistungshalbleiterchips kommen beliebige Leistungshalbleiterbauelemente wie z. B. MOSFETs, IGBTs, JFETs, TEDFETs, Thyristoren, Dioden in Betracht. Die elektrisch leitende Verbindung zwischen der Unterseite eines Leistungshalbleiterchips 1 und der oberen Metallisierungsschicht 21 des betreffenden Substrats 2 erfolgt mittels einer Verbindungsschicht 11. Diese kann beispielsweise als Weichlotschicht, als Diffusionslotschicht mit einer oder mehreren intermetallischen Phasen, als Silber enthaltende Sinterschicht, oder als elektrisch leitende Klebeschicht ausgebildet sein.
Die externe elektrische Kontaktierung des Moduls 100 erfolgt mit Hilfe von Anschlusslaschen 3, die in ein Gehäuse 40 des Moduls 100 eingesteckt oder eingespritzt sind. Die Anschlusslaschen 3 weisen äußere Anschlussenden 32 auf, die von der Außenseite des Gehäuses 40 her zugänglich sind und die beispielsweise als Einpresskontakte (”Press-Fit”-Kontakte) ausgebildet sein können und die in ein Kontaktloch einer Leiterplatte oder einer Flachleitung (”Stripline”) eingepresst werden können. Alternativ können die Anschlussenden 32 auch als Montageösen, als Montageschuhe, als Anschraubkontakte mit Innen- oder Außengewinde, oder als Druckkontaktfedern ausgebildet sein.
Das Gehäuse 40, welches fest mit der Bodenplatte 8 verbunden ist, weist beispielhaft einen ringförmigen Gehäuserahmen 41 auf, sowie einen optionalen Deckel 42. Bei dem Gehäuserahmen 41 und dem Deckel 42 kann es sich um separate Komponenten handeln. Alternativ können der Gehäuserahmen 41 und der Deckel 42 aber auch einstückig ausgebildet sein. Die mechanische Verbindung zwischen dem Gehäuse 40 und der Bodenplatte 8 kann durch beliebige Verbindungstechniken erfolgen, durch die sich eine hermetisch dichte Verbindung ergibt, die das Auslaufen einer später in den Gehäuseinnenraum eingefüllten Weichvergussmasse verhindert. Beispielsweise eignet sich Kleben als Verbindungstechnik.
Die elektrisch leitenden Verbindungen zwischen dem oder den bestückten Schaltungsträgern 2 und den Anschlussenden 32 erfolgt mit Hilfe von elektrisch leitenden Verbindungselementen 5, die elektrisch zum Einen an Fußbereiche 31 der Anschlusslaschen 3, zum Anderen an eine obere Metallisierung 21 eines Schaltungsträgers 2 oder an eine obere Metallisierung eines Leistungshalbleiterchips 1 angeschlossen sind. In 1 sind die Verbindungselemente 5 beispielhaft als Bonddrähte ausgebildet. Ebenso können hierfür jedoch auch flache Bändchen oder Metallbügel eingesetzt werden. Die Verbindung zwischen einem Verbindungselement 5 kann durch Drahtbonden oder Reibschweißen erfolgen, bei dem das Verbindungselement unmittelbar mit dem Fußbereich 31, der oberen Metallisierung 21 des Schaltungsträgers 2 oder der oberen Metallisierung des Leistungshalbleiterchips 1 verbunden wird. Anstelle einer unmittelbaren Verbindung kann jedoch auch eine mittelbare Verbindung vorgesehen sein, die beispielsweise durch Löten oder elektrisch leitendes Kleben hergestellt ist.
Um die Isolationsfestigkeit des Moduls 100 zu erhöhen, kann in den Innenraum des Gehäuses 40 eine Weichvergussmasse (nicht dargestellt) werden, die sich von der Oberseite 8t der Bodenplatte 8 zumindest bis über die Oberseiten sämtlicher Leistungshalbleiterchips 1 erstreckt. Als Weichvergussmasse eignet sich z. B. ein Silikongel. Auf die Weichvergussmasse kann dann noch eine Hartvergussmasse, z. B. ein Harz, aufgebracht werden.
Die Abfuhr der in den Leistungshalbleiterchips 1 anfallenden Betriebswärme erfolgt über den Schaltungsträger 2 und die Bodenplatte 8 an einen nicht dargestellten Kühlkörper, der mit der Unterseite 8b der Bodenplatte 8 in thermischen Kontakt gebracht werden kann. Durch das in der hermetisch dichten Kammer 80 der Bodenplatte 8 befindliche Kühlfluid 85 erfolgt eine Wärmespreizung in seitlicher Richtung, d. h. in jede Richtung senkrecht zur Normalenrichtung N der Oberseite 8t der Bodenplatte 8.
Zur Montage an einem Kühlkörper weisen das Gehäuse 40 und die Bodenplatte 8 jeweils optionale Befestigungsöffnungen 44 bzw. 84 auf. Grundsätzlich können jedoch auch beliebige andere Befestigungselemente hierfür vorgesehen sein.
Um die thermische Kopplung zwischen den Leistungshalbleiterchips 1 und dem Kühlfluid 85 zu erhöhen, können, wie beispielhaft in 2 gezeigt ist, zumindest unterhalb eines Leistungshalbleiterchips 1 ein oder mehrere Fortsätze 23 vorgesehen sein, die von der oberen Wand der Bodenplatte 8 ausgehen, und die zumindest dann in das Kühlfluid 85 eintauchen, wenn die Normalenrichtung N der Oberseite 8t der Bodenplatte 8 antiparallel zur Richtung der Schwerkraft orientiert ist.
Die Fortsätze 23 können einstückig mit der oberen Wand der Bodenplatte 8 ausgebildet sein, was beispielsweise durch Prägen, Fräsen oder Ätzen einer massiven Platte erfolgen kann. Alternativ können die Fortsätze 23 auch nachträglich auf die obere Wand der Bodenplatte 8 aufgebracht werden, beispielsweise durch Löten, Diffusionslöten, Schweißen, Sintern oder Drahtbonden.
Die Bodenplatte 8 kann z. B. gemäß 3A zwei Bodenplattenelemente 86 und 87 aufweisen, die gemäß 3B miteinander verbunden werden. Das Verbinden der Bodenplattenelemente 86 und 87 kann z. B. durch Löten, Diffusionslöten, Schweißen, Sintern oder Ultraschallbonden erfolgen.
Durch das Verbinden der Bodenplattenelemente 86, 87 entsteht, wie in 3B gezeigt ist, eine Kammer 80, in die später das Kühlfluid eingefüllt wird. Zum Einfüllen ist gemäß 3C eine Einfüllöffnung 88 vorgesehen, die sich durchgehend von der Außenseite der miteinander verbundenen Bodenplattenelemente 86 und 87 bis in die Kammer 80 erstreckt. Die Einfüllöffnung 88 kann nach dem Verbinden der Bodenplattenelemente 86 und 87, beispielsweise durch Bohren, hergestellt werden. Alternativ kann die Einfüllöffnung 88 auch in einem der Bodenplattenelemente 86 und 87 erzeugt werden, bevor diese miteinander verbunden werden. Eine weitere Möglichkeit zum Herstellen der Einfüllöffnung 88 besteht darin, dass zumindest eines der Bodenplattenelemente 86 und 87 auf seiner dem anderen Bodenplattenelement 87 bzw. 86 zugewandten Seite eine Vertiefung aufweist, aus der beim Verbinden der Bodenplattenelemente 86, 87 eine Durchgangsöffnung entsteht. Eine derartige Vertiefung kann z. B. durch Prägen oder Fräsen hergestellt werden.
Optional kann die Bodenplatte 8 ergänzend zu einer Einfüllöffnung 88 auch noch eine Entlüftungsöffnung aufweisen, durch die die beim Einfüllen des Kühlfluids 85 verdrängte Luft entweichen kann. Bei einer derartigen Ausgestaltung wird die Entlüftungsöffnung nach dem Einfüllen des Kühlfluids ebenso wie die Einfüllöffnung 88 dauerhaft verschlossen. Es besteht auch die Möglichkeit, das Kühlfluid 85 mittels einer Kanüle in die Einfüllöffnung einzufüllen. In diesem Fall erübrigt sich eine Entlüftungsöffnung.
Wie in den 3D und 3E gezeigt ist, wird die Bodenplatte 8, wenn in deren Kammer 80 noch kein Kühlfluid eingefüllt ist, mit einem ganz oder teilweise vorbestückten Substrat 2 verbunden. Hierzu werden gemäß 3D die Bodenplatte 8, ein Substrat 2, das mit wenigstens einem Halbleiterchip 1 sowie optional mit weiteren elektronischen Komponenten vorbestückt ist, sowie ein Verbindungsmittel 23' bereitgestellt. Das Verbindungsmittel 23' wird zwischen der Bodenplatte 8 und der dem wenigstens einen Halbleiterchip 1 abgewandten Seite des Substrates 2 angeordnet.
Das Verbindungsmittel 23' kann beispielsweise ein Lot sein, das als Plättchen ausgebildet ist und das beispielsweise auf die Oberseite 8t der Bodenplatte 8 aufgelegt wird, oder das als Lotpaste ausgebildet ist, die auf die Oberseite 8t der Bodenplatte 8 und/oder auf die dem wenigstens einen Halbleiterchip 1 abgewandte Seite des Substrats 2 aufgebracht wird. Nach dem Aufschmelzen und dem nachfolgenden Abkühlen des Lotplättchens bzw. der Lotpaste sind die Bodenplattenelemente 86 und 87 fest miteinander verbunden, was im Ergebnis in 3E gezeigt ist.
Bei der aus dem Lot 23' gebildeten Verbindungsschicht 23 kann es sich um eine Weichlotschicht handeln, oder um eine Diffusionslotschicht, die eine oder mehrere intermetallische Kupfer-Zinn-Phasen, z. B. Cu3Sn, Cu6Sn5, aufweist. Zur Herstellung einer intermetallische Kupfer-Zinn-Phasen aufweisenden Verbindungsschicht 23 muss das bereitgestellte Lot Zinn enthalten. Außerdem muss das Substrat 2 eine untere Metallisierungsschicht 22 aufweisen. Die untere Metallisierungsschicht 22 und die obere Wand der Bodenplatte 8 müssen jeweils Kupfer aufweisen, so dass beim Verlöten des Substrates 2 mit der Bodenplatte 8 Kupfer in das aufgeschmolzene Lot eindiffundieren und mit dem Zinn des Lotes eine oder mehrere intermetallische Kupfer-Zinn-Phasen ausbildet. Jede dieser intermetallischen Kupfer-Zinn-Phasen weist einen Schmelzpunkt auf, der höher ist als der Schmelzpunkt des bereitgestellten Lotes.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung kann das Verbindungsmittel 23' zur Herstellung einer Drucksinterverbindung als Paste ausgebildet sein, die Silberpulver und ein Lösungsmittel umfasst, und die auf die Oberseite 8t der Bodenplatte 8 und/oder auf die dem wenigstens einen Halbleiterchip 1 abgewandte Seite des Substrats 2 aufgebracht wird. Hierzu müssen die miteinander zu verbindenden Kontaktflächen des Substrates 2 und der Bodenplatte 8, d. h. die dem wenigstens einen Leistungshalbleiterchip 1 abgewandte Seite des Substrates 2 und die Oberseite 8t der Bodenplatte 8, als Edelmetalloberflächen, beispielsweise aus Silber oder Gold, ausgebildet sein. Hierzu kann jeweils eine dünne Edelmetallschicht z. B. auf das Metall der unteren Metallisierung 22 des Substrates 2 und auf die Oberseite 8t der Bodenplatte 8 aufgebracht werden. Zum Verbinden wird das mit wenigstens einem Halbleiterchip 1 vorbestückte Substrat 2 an die Oberseite 8t der Bodenplatte 8 gepresst. Anschließend erfolgt eine Temperung bei hohem Druck, so dass das Lösungsmittel aus der Paste 23' entweicht und die Paste 23' unter Ausbildung einer Sinterschicht 23 aushärtet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann als Verbindungsmittel 23' auch ein Kleber verwendet werden, der auf die Oberseite 8t der Bodenplatte 8 und/oder auf die dem wenigstens einen Leistungshalbleiterchip 1 abgewandte Seite des Substrates 2 aufgetragen wird. Danach können das vorbestückte Substrat 2 und die Bodenplatte 8 miteinander verklebt werden.
Gemäß noch einer anderen Ausgestaltung kann der Isolationsträger 20 aus Aluminiumnitrid gebildet und mittels einer DCB-Verbindung unmittelbar mit der Oberseite 8t verbunden sein. Bei dieser Ausgestaltung würden die in den Figuren dargestellte untere Metallisierungsschicht 22 des Substrates 2, das Verbindungsmittel 23' und die Verbindungsschicht 23 fehlen.
Alternativ zu dem anhand der 3A bis 3D erläuterten Verfahren kann bei allen erläuterten Ausgestaltungen das Verbinden des mit wenigstens einem Leistungshalbleiterchip 1 vorbestückten Substrates 2 mit der Oberseite 8t des oberen Bodenplattenelements 86 vor dem Verbinden der beiden Bodenplattenelemente 86 und 87 erfolgen. Bei dieser Alternative wäre also in den 3D und 3E das untere Bodenplattenelement 87 noch nicht mit dem oberen Bodenplattenelement 86 verbunden. Das anhand der 3A bis 3C erläuterte Verbinden der beiden Bodenplattenelemente 86 und 87 würde erst nach dem Verbinden des oberen Bodenplattenelements 86 mit dem vorbestückten Substrat 2 erfolgen. Im Ergebnis läge auch bei dieser Reihenfolge der Verbindungsprozesse wieder die in 3E gezeigte Anordnung vor.
Unabhängig von der Reihenfolge der Verbindungsprozesse erfolgt das Einfüllen eines Kühlfluids in die Kammer 80 durch die Einfüllöffnung 88 gemäß 3F nach dem Verbinden des vorbestückten Substrates 2 mit der Oberseite 8t und nach dem Verbinden der beiden Bodenplattenelemente 86 und 87. Danach wird die Einfüllöffnung 88 gemäß 3G mittels eines Verschlusses 89 hermetisch verschlossen. Das Verschließen der Einfüllöffnung 88 kann z. B. durch Verkleben, Vernieten, Verlöten, oder Verschweißen, beispielsweise durch Laserschweißen, erfolgen. Alternativ dazu kann auch eine Verschlussschraube in die Einfüllöffnung 88 eingeschraubt werden.
Unabhängig von der Reihenfolge der Verbindungsprozesse zwischen dem Substrat 2 und der Oberseite 8t der Bodenplatte 8 und zwischen dem oberen Bodenplattenelement 86 und dem unteren Bodenplattenelement 87 kann das Einfüllen des Kühlfluids 85 in die Kammer 80 erst nach dem Verbinden des Substrates 2 mit der Oberseite 8t erfolgen. Dies ist vor allem dann von Vorteil, wenn der Verbindungsprozess zum Verbinden des Substrates 2 mit der Oberseite 8t eine hohe Temperatur erfordert. Die hohe Temperatur würde nämlich zur Ausbildung eines hohen Druckes in der Kammer 80 und damit einhergehend zu einer Durchbiegung der Wände der Bodenplatte 8 führen, was jedoch vermieden werden soll.
Gemäß einer in 4A gezeigten Ausgestaltung können die Bodenplattenelemente 86 und 87 jeweils mit einem ringförmigen Flansch 8f versehen sein, an denen die Bodenplattenelemente 86 und 87 gemäß 4B z. B. durch Löten, Diffusionslöten, Schweißen, Sintern oder Ultraschallbonden miteinander verbunden werden. 4C zeigt einen Querschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul 100 entsprechend 1, jedoch mit einer gemäß 4B ausgebildeten, teilweise mit einem Kühlfluid 85 befüllten Bodenplatte 8. Durch seinen Flansch 8f ist an dem oberen Bodenplattenelement 86 eine Stufe ausgebildet, an der die Bodenplatte 8 in eine korrespondierende Stufe des Gehäuses 40 eingesetzt ist.
5 ist eine Draufsicht auf die obere Kammerbegrenzungsfläche 81 der Kammer 80 der in den 4B und 4C gezeigten Bodenplatte 8. Wie in 6A gezeigt ist, können auf diese obere Kammerbegrenzungsfläche 81 ein oder mehrere Fortsätze 83 aufgebracht werden. Bei der Anordnung gemäß 6A sind diese Fortsätze 83 beispielhaft als Bonddrahtstruktur realisiert, wobei ein oder mehrere Bonddrähte unmittelbar an die Kammerbegrenzungsfläche 81 gebondet sind. Zwischen benachbarten Bondstellen desselben Bonddrahtes ist jeweils eine Bondschleife (”Bondloop”) ausgebildet. Nach dem Aufbringen der Fortsätze 83 auf die Kammerbegrenzungsfläche 81 werden die Bodenplattenelemente 86 und 87 wie bereits anhand der 4A und 4B erläutert miteinander verbunden. 6C zeigt das obere Bodenplattenelement 86 in der Ansicht gemäß 5 nach dem Aufbringen der Fortsätze 83 auf die Kammerbegrenzungsfläche 81. Bei dem gezeigten Beispiel sind mehrere parallel verlaufende Bonddrähte an die Kammerbegrenzungsfläche 81 gebondet. Anstelle von Bonddrähten können jedoch auch andere vorgefertigte Strukturen wie z. B. Netze oder Gitter oder ein oder mehrere voneinander unabhängige Einzelelemente auf die Kammerbegrenzungsfläche 81 gebondet, gelötet, geschweißt, gesintert oder geklebt werden.
6D zeigt einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul 100 mit einer gemäß den 6A bis 6C aufgebauten und mit einem Kühlfluid 85 gefüllten Bodenplatte 8.
Um die Wärme spreizende Wirkung der Bodenplatte 8 zu erhöhen, kann es wünschenswert sein, wenn sich die hermetisch dichte Kammer 80 in seitlicher Richtung bis zu einer oder mehreren Befestigungsöffnungen 44 oder darüber hinaus erstreckt. Ein Beispiel hierfür zeigt 7 anhand eines Leistungshalbleitermoduls 100, bei dem die Bodenplatte 8 Durchgangsöffnungen 84 aufweist, die durch rohrförmige Hülsen 89 gebildet werden. Ebenso wie die rohrförmigen Hülsen 89 erstrecken sich auch die Durchgangsöffnungen 84 in Normalenrichtung N, d. h. senkrecht zu der dem Schaltungsträger 2 zugewandten Oberseite 8t der Bodenplatte 8, durch die hermetisch dichte Kammer 80 hindurch. Die Hülsen 89 können mit den anderen Teilen der Bodenplatte 8 beispielsweise verlötet, verklebt, verpresst, vernietet oder verschweißt sein. Die Hülsen 89 ermöglichen somit ein Verschrauben des Leistungshalbleitermoduls 100 mit einem an die Unterseite 8b der Bodenplatte 8 angesetzten Kühlkörpers (nicht gezeigt) mit Hilfe von Verbindungsschrauben, die jeweils in hintereinander befindliche Öffnungen 44 und 84 eingesetzt sind und die damit durch die hermetisch dichte Kammer 80 hindurch verlaufen. Ein weiterer Vorteil der Hülsen 89 besteht darin, dass sie die Bodenplatte 8 beim Verschrauben gegen Verbiegen stabilisieren.
Bei sämtlichen Ausgestaltungen der Erfindung wird die Kammer 80 nach dem Einfüllen des Kühlfluids 85 dauerhaft hermetisch abgedichtet. Das Kühlfluid 85 wird nicht durch eine externe, an die Bodenplatte 80 angeschlossene Pumpvorrichtung umgepumpt. Demgemäß weist die Bodenplatte 8 auch keine Anschlüsse zum Anschluss einer solchen Pumpvorrichtung auf. Wie außerdem anhand der 1, 2 und 4 zu erkennen ist, kann die Geometrie der Bodenplatte so gewählt sein, dass sich die hermetisch dichte Kammer 80 in seitlicher Richtung, d. h. in jeder Richtung senkrecht zur Richtung der Normalen N, nicht über das Gehäuse 40 des Leistungshalbleitermoduls 100 hinaus erstreckt.
Unabhängig davon kann die Geometrie der Bodenplatte 8 so gewählt werden, dass sich die hermetisch dichte Kammer 80 in keiner Richtung senkrecht zur Normalenrichtung N weiter als 50 mm über den Isolationsträger 20 des Substrates 2 hinaus erstreckt.

Claims

Leistungshalbleitermodul mit – einem Schaltungsträger (2), der einen flachen Isolationsträger (20) umfasst, auf den eine mit einem Leistungshalbleiterchip (1) bestückte obere Metallisierung (21) aufgebracht ist; – einer Bodenplatte (8), die einen hermetisch dichte Kammer (80) aufweist, in der sich ein Kühlfluid (85) befindet; wobei der Schaltungsträger (2) mit seiner der oberen Metallisierung (21) abgewandten Unterseite stoffschlüssig mit der Bodenplatte (8) fest verbunden ist.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, bei dem die Bodenplatte (8) auf ihrer dem Schaltungsträger (2) zugewandten Seite eine Wand (8t) aufweist, die sich zwischen dem Schaltungsträger (2) und der Kammer (80) befindet, und von der ausgehend sich ein oder mehrere Fortsätze (83) in die Kammer (80) hinein erstrecken.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 2, bei dem die dem Schaltungsträger (2) zugewandte Oberseite (8t) der Bodenplatte (8) im wesentlichen eben ist, und bei dem die Fortsätze (83), wenn die Oberseite (8t) senkrecht zu Richtung (8t) der Schwerkraft ausgerichtet ist, in das Kühlfluid (85) eintauchen.
Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem zumindest einer der Fortsätze (83) von der Unterseite (82) der Kammer (80), die die Kammer (80) auf ihrer dem Schaltungsträger (2) abgewandten Seite begrenzt, beabstandet ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem zumindest einer der Fortsätze (83) als Bonddraht ausgebildet ist, der an die Oberseite (81) der Kammer (80) gebondet ist, die die Kammer (80) auf ihrer dem Schaltungsträger (2) zugewandten Seite begrenzt.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Bodenplatte (8) zwei stoffschlüssig miteinander verbundene Bodenplattenelemente (86, 87) umfasst, zwischen denen die Kammer (80) ausgebildet ist.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 6, bei dem die beiden Bodenplattenelemente (86, 87) miteinander verschweißt, verlötet, versintert oder verklebt sind.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 6 oder 7, bei dem ein jedes der Bodenplattenelemente (86, 87) einen umlaufenden Flansch (8f) aufweist, und bei dem die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Bodenplattenelementen (86, 87) als stoffschlüssige Verbindung zwischen den umlaufenden Flanschen (8f) ausgebildet ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Gehäuse (40), wobei – die dem Schaltungsträger (2) zugewandte Oberseite (8t) der Bodenplatte (8) im wesentlichen eben ist und eine Normalenrichtung (N) aufweist; – sich die hermetisch dichte Kammer (80) in keiner Richtung senkrecht zur Normalenrichtung (N) weiter als 50 mm über den Isolationsträger (20) hinaus erstreckt.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Durchgangsöffnung (84), die sich senkrecht zu der dem Schaltungsträger (2) zugewandten Oberseite (8t) der Bodenplatte (8) durch die hermetisch dichte Kammer (80) hindurch erstreckt.
Verfahren zur Herstellung eines gemäß einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildeten Leistungshalbleitermoduls (100) mit folgenden Schritten: – Herstellen einer Bodenplatte (8), die eine Kammer (80) aufweist; – Bereitstellen eines Schaltungsträgers (2), der einen flachen Isolationsträger (20) umfasst, auf den eine obere Metallisierung (21) aufgebracht ist; – Bereitstellen eines Kühlfluids (85); – Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen der der oberen Metallisierung (21) abgewandten Unterseite des Schaltungsträgers (2) und der Bodenplatte (8) und nachfolgendes Einfüllen des Kühlfluids (85) in die Kammer (80); – Abdichten des Innenraums (80) nach dem Einfüllen des Kühlfluids (85), so dass die Kammer (80) hermetisch dicht ist.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Herstellen der Bodenplatte (8) folgende Schritte umfasst: – Bereitstellen von zwei Bodenplattenelementen (86, 87); und – Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den beiden Bodenplattenelementen (86, 87).
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den beiden Bodenplattenelementen (86, 87) der Bodenplatte (8) folgende Schritte umfasst: – Bereitstellen von zwei Bodenplattenelementen (86, 87); und – Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den beiden Bodenplattenelementen (86, 87).
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem ein jedes der Bodenplattenelemente (86, 87) einen umlaufenden Flansch (8f) aufweist, und bei dem das Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den beiden Bodenplattenelementen (86, 8) zwischen deren Flanschen (8f) durch. Verschweißen, Verlöten, Versintern oder Verkleben erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem vor dem Herstellen der stoffschlüssigen Verbindung zwischen den beiden Bodenplattenelementen (86, 87) an eine der späteren Kammer (80) zugewandte Seite (81) eines der Bodenplattenelemente (86) ein oder mehrere Bonddrähte oder Bonddrahtabschnitte gebondet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem das Einfüllen des Kühlfluids (85) in die Kammer (80) durch eine Einfüllöffnung (88) erfolgt, die nach dem Einfüllen hermetisch verschlossen wird.