DE10007414A1

DE10007414A1 - Substrat für Leistungshalbleitermodule mit Durchkontaktierung durch Lot, und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE10007414A1
Application number: DE10007414A
Authority: DE
Inventors: Thilo Stolze; Manfred Loddenkoetter
Original assignee: EUPEC GmbH
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-02-18
Filing date: 2000-02-18
Publication date: 2001-09-06
Anticipated expiration: 2020-02-19
Also published as: US20010022236A1; JP2001284800A; US6715203B2; DE10007414B4

Abstract

Ein Leistungshalbleitermodul weist zwei Platten (3o, 3u) aus Metall und eine schichtweise zwischen den Metallplatten aufgenommene Platte (2) aus Keramik mit einem Durchgangsloch (2a) auf. Eine Durchkontaktierung des Substrats (1) wird erzielt durch Einbringen eines Durchgangslochs (4) in eine der Metallplatten (3o) in Ausrichtung mit dem Durchgangsloch (2a) der Keramikplatte (2) und Aufbringen eines Pastenlots auf eine Seite des Substrats (1). Anschließend wird das Substrat (1) einer Ofenfahrt unterzogen, so daß das Pastenlot in die Durchgangslöcher (2a, 4) hineinfließt und die beiden Metallplatten (3o, 3u) durch das Lot dauerhaft miteinander kontaktiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. ein Substrat für Leistungshalbleiter module nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 6.

Leistungshalbleiter finden in den letzten Jahren in breitem Maße Anwendung in der Automobilelektronik, dem Energiemanage ment und zunehmend auch in der industriellen Antriebs- und Automatisierungstechnik. In der Regel sind diese Leistungs halbleiter zu Modulen zusammengefaßt, die auf kundenspezifi sche Anforderungen abgestimmt sind.

Bei derartigen Leistungshalbleitermodulen sind einzelne elek tronische Bauteile im allgemeinen auf einem Substrat ange bracht. Ein derartiges Substrat ist üblicherweise in Form ei nes Sandwiches ausgestaltet, wobei eine Platte aus Keramik zwischen zwei äußeren Platten aus Metall schichtweise aufge nommen ist. Diese Metallplatten bestehen in der Regel aus Kupfer, da dieses Material sehr gute Eigenschaften bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit zeigt. Ein solches Substrat, das aus dem Sandwich Kupfer-Ke ramik-Kupfer besteht, wird nachfolgend "DCB-Substrat" ge nannt.

Zur Herstellung dieser DCB-Substrate werden die Kupferplatten stark oxidiert und auf die Keramikplatte gelegt. Das somit gebildete Sandwich Kupfer-Keramik-Kupfer wird anschließend während einer Ofenfahrt auf ca. 1000°C erhitzt, wobei ein da bei erzeugtes Eutektikum Kupferoxid-Aluminiumoxid die einzel nen Schichten untrennbar miteinander verbindet (bondet). Zum Löten der elektrischen Bauteile wird typisch in eine Kupfer platte eine Struktur geätzt, wobei die andere Kupferplatte für eine bessere Wärmeabfuhr auf eine Bodenplatte (Heat-Sink) gelötet wird.

Bei anderen Varianten von derartigen Leistungshalbleitermodu len kann auch ein beidseitiges Abführen von Potentialen von dem bekannten DCB-Substrat notwendig sein. In diesem Fall ist eine leitende Verbindung zwischen den beiden äußeren Kupfer platten erforderlich, die durch eine Durchkontaktierung er zielt wird.

Eine solche Durchkontaktierung wird bei den bekannten DCB- Substraten dadurch realisiert, daß in die Keramikplatte ein Durchgangsloch eingebracht wird. Desweiteren wird in dieses Loch vor dem Bonden des Sandwiches ein separates Teil manuell eingelegt. Vorzugsweise wird hierfür eine Kugel aus Kupfer verwendet. Das Positionieren dieser Kupferkugel hat jedoch einerseits den Nachteil, daß das Durchgangsloch in der Kera mik ein hohes Maß an Genauigkeit zur exakten Aufnahme der Kupferkugel aufweisen muß, was beispielsweise durch ein auf wendiges Lasertrennverfahren erzielt werden kann. Desweiteren stellt das separate Einlegen dieser Kupferkugel einen zusätz lichen Arbeitsschritt und als auch einen Mehraufwand an Mate rial dar.

In Abwandlung zu dem Einlegen eines separaten Teils ist es alternativ möglich, die Kupferplatten in dem Durchgangsloch der Keramikplatte zusammenzudrücken. Eine dauerhafte Kontak tierung der beiden Platten wird anschließend durch ein Punkt schweißen gewährleistet. Diese Möglichkeit führt jedoch zu dem Nachteil eines erhöhten apparativen Aufwands wegen der Schweißvorrichtung und ist in der Energiebilanz aufgrund des Schweißvorgangs sehr ungünstig. Beide der genannten Verfahren sind zudem sehr zeitaufwendig und kostspielig.

Entsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Substrat für Leistungshalbleitermodule mit einer Durchkontak tierung vorzusehen, die einfach und kostengünstig herzustellen ist. Außerdem soll ein Verfahren zur Erzielung einer der artigen Durchkontaktierung geschaffen werden.

Die Erfindung ist bei einem Verfahren zur Durchkontaktierung eines Substrats für Leistungshalbleitermodule, das zwei Plat ten aus Metall und eine schichtweise zwischen den Metallplat ten aufgenommene Platte aus Keramik mit einem Durchgangsloch aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte: Einbringen eines Durchgangslochs in eine der Metallplatten in Ausrichtung mit dem Durchgangsloch der Keramikplatte, Aufbringen eines Pa stenlots auf eine Seite des Substrats, und Durchführen einer Ofenfahrt, so daß das Pastenlot in die Durchgangslöcher hin einfließt und die beiden Metallplatten durch das Lot dau erhaft miteinander kontaktiert werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Erfindungsgedankens sind in abhängigen Patentansprüchen gekennzeichnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren kommt vorteilhaft bei den ein gangs erläuterten DCB-Substraten zum Einsatz. In die Oberflä che eines derartigen Substrats werden Strukturen geätzt, auf die in einem nachfolgenden Schritt weitere elektronische Bau teile gelötet werden. Hierbei ist es vorteilhaft, während dieses Ätzvorganges das Durchgangsloch in einer der Kupfer platten gleichzeitig mit dem Ätzen der Strukturen zu erzeu gen. Auf diese Weise lassen sich zwei Verfahrensschritte zu einem Schritt zusammenfassen, wodurch eine rationelle Ferti gung erzielt wird.

Vor dem Verlöten der elektrischen Bauteile wird ein Pastenlot auf das Substrat aufgebracht. Dabei gelangt das Pastenlot auch auf die Stelle, an der das Durchgangsloch in der Kupfer platte ausgebildet ist. Somit ist es möglich, daß das Pasten lot während einer Ofenfahrt, bei der gleichzeitig die elek trischen Bauteile mit dem Substrat verlötet werden, durch das Durchgangsloch der Kupferplatte in das Durchgangsloch der Ke ramikplatte hineinfließt, um auf die Fläche der anderen Kupferplatte zu gelangen und somit die beiden Kupferplatten mit einander zu kontaktieren.

Ein Stempel, beispielsweise in Form eines stumpfen Kegels, fährt nach dem Ätzen auf das Substrat nieder, wodurch ein in nerer Rand des in der oberen Kupferplatte gebildeten Durch gangslochs in das Durchgangsloch der Keramikplatte hinein um geformt wird. Dadurch wird vorteilhaft ein besseres Hinein fließen des Pastenlots in das Durchgangsloch der Keramik platte in Richtung auf die andere Kupferplatte gewährleistet.

Das Durchgangsloch in der oberen Kupferplatte kann, in Ab wandlung zu dem oben beschriebenen Ätzverfahren, vorteilhaft auch unmittelbar durch das Niederfahren des Stempels gebildet werden. Der Stempel hat in diesem Fall an seiner dem Substrat zugewandten Seite beispielsweise die Form eines spitzen Ke gels. Da die Kupferplatte lediglich eine verhältnismäßig ge ringe Dicke aufweist, kann die Spitze dieses Stempels die Kupferplatte ohne weiteres durchdringen und dadurch das Durchgangsloch ausbilden.

In einer Weiterbildung der Erfindung hat das Durchgangsloch in der Kupferplatte einen kleineren Durchmesser als das Durchgangsloch in der Keramikplatte. Bezüglich des Zerflie ßens des Lots ist dabei ein genaues Toleranzmaß für das Durchgangsloch in der Keramikplatte unwesentlich. Folglich ist es möglich, die gewünschten Durchgangslöcher in die Kera mikplatte mittels Stanzen einzubringen, bevor sie mit den oxidierten Kupferplatten zu dem Sandwich-Substrat gebondet wird.

Ein Substrat für Leistungshalbleitermodule, mit zwei Platten aus Metall und einer schichtweise zwischen den Metallplatten aufgenommenen Platte aus Keramik, die ein Durchgangsloch auf weist, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Metallplatten ein mit dem Durchgangsloch der Keramikplatte ausgerichtetes Durchgangsloch aufweist und die bei den Metallplatten durch ein Lot miteinander kontaktiert sind.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert oder in abhängigen Patentansprüchen defi niert.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfol gend unter Bezug auf die Zeichnungen in einer beispielsweisen Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Platte aus Kera mik, die mit Durchgangslöchern versehen ist;

Fig. 2 eine seitliche Querschnittansicht eines Substrats, das aus der in der Fig. 1 gezeigten Keramikplatte und zwei Metallplatten gebildet ist;

Fig. 3 eine seitliche Querschnittansicht des Substrats, bei dem eine der Metallplatten ein Durchgangsloch in Ausrichtung mit dem Durchgangsloch der Keramik platte aufweist;

Fig. 4 eine Draufsicht auf das Substrat;

Fig. 5 eine Querschnittansicht des Substrats zusammen mit einem Stempel;

Fig. 6 eine Querschnittansicht eines anderen Ausführungs beispiels des Substrats zusammen mit einem anderen Stempel;

Fig. 7 eine seitliche Querschnittansicht des Substrats mit aufgebrachtem Pastenlot; und

Fig. 8 eine seitliche Querschnittansicht des Substrats mit zerflossenem Pastenlot.

In der Fig. 1 ist eine Platte 2 aus Keramik perspektivisch dargestellt, die üblicherweise für Substrate verwendet wird. Bei diesem gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Keramik platte 2 eine Vielzahl von Durchgangslöchern 2a auf, die bei spielsweise entlang der Kanten der Keramikplatte 2 ausgerich tet sind. Die in dieser Figur gezeigte große Anzahl von Durchgangslöchern 2a läßt sich beispielsweise sehr rationell durch einen Stanzvorgang in die Keramikplatte 2 vor dem Bren nen einbringen.

In der Fig. 2 ist ein Substrat 1 in einer seitlichen Quer schnittansicht dargestellt. Hierbei ist die Keramikplatte 2a schichtweise zwischen zwei Platten 3o, 3u aus Metall aufge nommen. Diese Metallplatten 3o, 3u bestehen üblicherweise aus Kupfer, weshalb das Substrat nachfolgend als DCB-Substrat be zeichnet wird. Zur Herstellung dieses DCB-Substrats werden die Kupferplatten stark oxidiert und auf die Keramikplatte gelegt, so daß durch die Bildung des Eutektikums Kupferoxid- Aluminiumoxid ein untrennbarer Sandwich Kupfer-Keramik-Kupfer entsteht. Das Einbringen der Durchgangslöcher 2a in die Kera mikplatte 2 wird jeweils vor dem Bonden der Keramikplatte 2 mit den Kupferplatten 3o, 3u durchgeführt.

Die einzelnen Schichten des Substrats in der hier gezeigten Form weisen unterschiedliche Dicken auf. Die Keramikplatte 2 in der Mitte hat eine Dicke von typisch 0,25 mm - 1 mm, wobei die außen liegenden Kupferplatten 3o, 3u eine im Vergleich zur Keramikplatte 2 geringere Dicke von ca. 300 µm aufweisen. Somit bildet die Keramikplatte 2 die Hauptträgerschicht des Substrats 1 aus. Die Dicken der jeweiligen Platten sind je doch nicht auf die angegebenen Wert festgelegt, sondern kön nen von diesen Werten in gewissen Grenzen abweichen.

Die Fig. 3 zeigt das Substrat 1 in einer seitlichen Quer schnittansicht nach einem weiteren Verfahrensschritt. In der Darstellung ist zu erkennen, daß die obere Kupferplatte 3o ein Durchgangsloch 4 aufweist. Das Durchgangsloch 4 wird bei diesem Ausführungsbeispiel des Substrats 1 durch Ätzen des Kupfers gebildet. In Bezug auf das Durchgangsloch 2a hat das Durchgangloch 4 einen kleineren Durchmesser und ist mit die sem mittig ausgerichtet.

In der Fig. 4 ist das in der Fig. 3 gezeigte Ausführungsbei spiel des Substrats 1 in einer Draufsicht dargestellt. Wie zu erkennen, ist ein Durchmesser d₂ des Durchgangslochs 2a grö ßer als ein Durchmesser d₁ des Durchgangslochs 4. Bei spielhaft beträgt der Durchmesser d₁ 0,8 mm und der Durchmes ser d₂ 2 mm. Beide Durchgangslöcher 2a, 4 sind kreisrund aus gebildet, wobei jedoch eine davon abweichende Form möglich ist, beispielsweise in Gestalt eines Ovals oder eines Recht ecks.

Die Fig. 5 zeigt das Ausführungsbeispiel des Substrats 1 ge mäß Fig. 3 bzw. Fig. 4, zusammen mit einem Stempel 5, der für eine weitere Bearbeitung des Substrats 1 eingesetzt wird. Auf einer dem Substrat zugewandten Seite weist der Stempel 5 ei nen Abschnitt 6 in Form eines stumpfen Kegels auf. Nach dem Ätzen des Durchgangslochs 4 wird in einem folgenden Bearbei tungsschnitt der Stempel 5 niedergefahren, so daß ein innerer Rand r des Durchgangslochs 4 durch den Abschnitt 6 des Stem pels 5 in das Durchgangsloch 2a hinein umgeformt wird. Die Kanten des inneren Randes r des Durchgangslochs 4 können nach dem Umformen durch den Stempel 5 alternativ zu dem hier ge zeigten Ausführungsbeispiel auch auf einer Fläche 10 (Fig. 8) der unteren Kupferplatte 3o aufliegen.

In der Fig. 6 ist eine seitliche Querschnittansicht eines an deren Ausführungsbeispiels des Substrats 1 gezeigt. Im Gegen satz zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird hierbei das Durchgangsloch 4 nicht geätzt, sondern ein Stempel 7 durchstößt beim Niederfahren die obere Kupferplatte 3o. Neben der vergleichsweise geringen Dicke der Kupferplatten von ca. 300 µm stellt ein Abschnitt 8 des Stempels 7 in Form eines spit zen Kegels auf der dem Substrat 1 zugewandten Seite dabei si cher, daß die Kupferplatte 3o beim Niederfahren des Stempels 7 ohne weiteres durchdrungen wird.

Nachdem das Durchgangsloch 4 in die obere Kupferplatte 3o eingebracht ist, wird das Substrat 1 mit einem Pastenlot 9 bedruckt. Bei Verwendung einer Lotdruckschablone (nicht ge zeigt), bei der ein entsprechendes Pad ausgespart ist, ge langt dabei das Pastenlot 9 auch auf die Stelle, an der in der oberen Kupferplatte 3o das Durchgangsloch 4 ausgebildet ist. Wie in der Fig. 7 zu erkennen, liegt das aufgedruckte Pastenlot nicht eben auf dem Substrat 1 auf, sondern es paßt sich an die durch das Niederdrücken des inneren Randes r des Durchgangslochs 4 ausgebildete Kontur an. Dadurch ist bei ei nem anschließenden Zerfließen sichergestellt, daß das Lot vollständig in das Durchgangsloch 2a und auf die Fläche 10 der unteren Kupferplatte 3o gelangt.

In der Fig. 8 ist das Substrat 1 in einer seitlichen Quer schnittansicht für einen Zustand gezeigt, der sich nach einer Ofenfahrt einstellt. Infolge der während der Ofenfahrt einge brachten Wärme ist das auf das Substrat 1 aufgebrachte Pa stenlot 9 vollständig zerflossen, was in der Fig. 9 durch die massiv dargestellte Fläche gezeigt ist. Das Lot 9 benetzt in gleicher Weise die Fläche 10 der unteren Kupferplatte 3o als auch die Ränder r des in der oberen Kupferplatte 3o ausgebil deten Durchgangsloch 4. Somit ist eine dauerhafte Durchkon taktierung des Substrats 1 gewährleistet.

Durch das erfindungsgemäße Vorsehen eines Durchgangsloches 4 in einer der Kupferplatten des bekannten DCB-Substrats 1 ist es somit möglich, ein Zerfließen eines auf das DCB-Substrat 1 aufgebrachten Pastenlots 9 in ein in der Keramikplatte 2 des DCB-Substrats 1 ausgebildetes Durchgangsloch 2a hinein während einer ohnehin durchzuführenden Ofenfahrt vorzusehen, wo durch eine Durchkontaktierung des DCB-Substrats 1 einfach und kostengünstig erzielt wird.

Bezugszeichenliste

1

Substrat

2

Platte aus Keramik

2

a Durchgangsloch

3

o Platte aus Metall

3

u Platte aus Metall

4

Durchgangsloch
d₁

Durchmesser des Durchgangslochs

4

d₂

Durchmesser des Durchgangslochs

2

a
r innerer Rand des Durchgangslochs

4

5

Stempel

6

Abschnitt des Stempels

5

in Form eines stumpfen Kegels

7

Stempel

8

Abschnitt des Stempels

7

in Form eines spitzen Kegels

9

Lot

10

Fläche der Metallplatte

3

u

Claims

1. Verfahren zur Durchkontaktierung eines Substrats (1) für Leistungshalbleitermodule, das zwei Platten (3o, 3u) aus Me tall und eine schichtweise zwischen den Metallplatten aufgenommene Platte (2) aus Keramik mit einem Durchgangsloch (2a) aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte:

- Einbringen eines Durchgangsloch (5) in eine der Metall platten (3o) in Ausrichtung mit dem Durchgangsloch (2a) der Keramikplatte (2),
- Aufbringen eines Pastenlots (9) auf eine Seite des Sub strats (1), und
- Durchführen einer Ofenfahrt, so daß das Pastenlot (9) in die Durchgangslöcher (2a, 4) hineinfließt und die beiden Me tallplatten (3o, 3u) durch das Lot (9) dauerhaft miteinander kontaktiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchgangloch (4) durch Ätzen der Metallplatte (3o) ge bildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen des Pastenlots (9) ein innerer Rand (r) des Durchgangslochs (4) in der Metallplatte (3o) durch einen Stempel (5) in das Durchgangsloch (2a) hinein umgeformt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stempel (7) die Metallplatte (3o) durchstößt und dadurch das Durchgangsloch (4) ausgebildet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß während der Ofenfahrt weitere elektronische Bauteile mit dem Substrat (1) verbunden werden.

6. Substrat (1) für Leistungshalbleitermodule, mit zwei Platten (3o, 3u) aus Metall, und einer schichtweise zwischen den Metallplatten (3o, 3u) aufge nommenen Platte (2) aus Keramik, die ein Durchgangsloch (2a) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Metallplatten (3o) ein mit dem Durchgangsloch (2a) der Keramikplatte (2) ausgerichtetes Durchgangsloch (4) aufweist und die beiden Metallplatten (3o, 3u) durch ein Lot (9) miteinander kontaktiert sind.

7. Substrat (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall aus Kupfer besteht.

8. Substrat (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Durchmesser (d₁) des Durchgangslochs (4) kleiner als ein Durchmesser (d₂) des Durchgangslochs (2a) ist.

9. Substrat (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein innerer Rand (r) des Durchgangslochs (4) in das Durch gangsloch (2a) hinein umgeformt ist.

10. Substrat (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchgangsloch (4) eine kreisrunde Form hat.