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Die
Erfindung betrifft Schaltungsträgeranordnungen,
wie sie zum Beispiel in Leistungselektronikmodulen Verwendung finden
Leistungselektronikmodule sind Halbleiterbaugruppen, die in leistungselektronischen
Schaltkreisen verwendet werden. Leistungselektronikmodule werden
typischerweise im Fahrzeugbereich, Bahn- und in industriellen Anwendungen,
beispielsweise bei Umrichtern oder Gleichrichtern, eingesetzt. Sie
finden ebenso Einsatz im Bereich der Energieerzeugung und Übertragung.
Bei den in den Leistungselektronikmodulen enthaltenen Halbleiterkomponenten
kann es sich z. B. um Halbleiterchips mit einem Bipolartransistor,
der ein isoliertes Gate aufweist (IGBT), oder um Halbleiterchips
mit einem Metalloxid-Feldeffekttransistor (MOSFET) handeln. Die
IGBT- und MOSFET-Halbleiterchips
besitzen unterschiedliche Spannungs- und Strombelastbarkeiten. Einige
Leistungselektronikmodule weisen in der Halbleiterbaugruppe auch
zusätzliche
Halbleiterdioden (d. h. Freilaufdioden) als Überspannungsschutz auf. Ebenso
können
solche Halbleiterchips auch Thyristoren, Dioden oder beliebige andere
Leistungsbauelemente umfassen.
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Zur
Montage und Verschaltung der Halbleiterchips werden häufig flache
Substrate auf Keramikbasis eingesetzt, die ein- oder doppelseitig metallisiert sind.
Im Vergleich zu einer Montage der Halbleiterchips auf einer überwiegend
metallischen, mehrere Millimeter dicken Trägerplatte hat die Montage des Halbleiterchips
auf einem solchen Substrat den Vorteil einer vergleichsweise guten
Temperaturwechselstabilität,
da sich der thermische Ausdehnungskoeffizient einer Keramik weniger
stark vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Halbleiterchips
(ca. 2 ppm) unterscheidet als der von Metall.
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Ein
weiterer Vorteil besteht in der elektrischen Isolationsfestigkeit
der Keramik bei gleichzeitig guter Wärmeleitfähigkeit.
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Allerdings
ist die Wärmeleitfähigkeit
von Keramiken geringer als die von Metallen. Es werden daher relativ
dünne keramikbasierte
Substrate angestrebt, die jedoch nur eine geringe mechanische Biegebelastbarkeit
aufweisen. Deshalb werden solche keramik-basierten Substrate häufig auf
stabilen Grundplatten, beispielsweise auf Metallplatten auf Kupfer-
oder Aluminiumbasis, montiert. Deren linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient
liegt jedoch deutlich über
dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten üblicher Keramiken. Beispielsweise
liegt der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient von Aluminum
bei etwa 23 ppm, der von Kupfer bei etwa 16,5 ppm, und der von Aluminiumoxid,
welches häufig
als Keramikmaterial verwendet wird, je nach Temperatur bei etwa
5 ppm bis 8 ppm. Es werden auch MMC-Materialien wie z. B. AlSiC
als Grundplatte eingesetzt, wodurch der Ausdehnungskoeffizient der Grundplatte
besser an den Ausdehnungskoeffizienten des Substrats angepasst ist.
Die Verbindungsschicht zwischen der Grundplatte und dem Keramiksubstrat,
beispielsweise eine durchgehende Lotschicht, besitzt dann immer
noch einen nicht angepassten hohen Ausdehnungskoeffizienten von
ca. 18 ppm. Somit unterliegt die Verbindungsschicht zwischen der
Grundplatte und dem Keramiksubstrat in jedem Fall einer erheblichen
Temperaturwechselbelastung. Die höchsten auf die Verbindungsschicht wirkenden
mechanischen Spannungen treten dabei vor allem in den Eckbereichen
des Keramiksubstrates auf. Bei MMC-Materialien als Grundplatte können die
maximalen Spannungen in dieser Verbindungsschicht auch unter den
Leistungshalbleitern auftreten.
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Aus
der
DE 10 2009
002 065 A1 ist es bekannt, eine Seite einer Substratmetallisierung
mit Vertiefungen zu versehen, und diese Seite unter Verwendung eines
Lotes mit einer Bodenplatte ei nes Leistungshalbleitermoduls zu verbinden.
Der Zweck der Vertiefungen besteht in einer Oberflächenvergrößerung der
Metallisierung, so dass beim Lötprozess die
Menge des Metalls, welches aus der Substratmetallisierung in das
aufgeschmolzene Lot eindiffundiert und mit diesem hochfeste intermetallische
Phasen ausbildet, im Vergleich zu einer vertiefungsfreien Substratmetallisierung
erhöht.
Aus der
DE 10 2009 002 065 ist
es ergänzend
bekannt, bereits dem Lot Teilchen aus intermetallischen Phasen beizufügen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
zur Herstellung einer Schaltungsträgeranordnung bereitzustellen,
bei dem eine metallische Grundplatte und ein Keramiksubstrat temperaturwechselstabil
verbunden werden. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren
zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls mit einer solchen
Schaltungsträgeranordnung
bereitzustellen.
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Diese
Aufgaben werden durch ein Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsträgeranordnung gemäß Patentanspruch
1 bzw. durch ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls
gemäß Patentanspruch
43 gelöst.
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
von Unteransprüchen.
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Bei
dem Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsträgeranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung
werden ein Träger
mit einer Metalloberfläche,
ein Substrat und eine Verankerungsstruktur bereitgestellt. Das Substrat
umfasst einen Isolationsträger,
der eine mit einer Metallisierungsschicht versehene Unterseite aufweist.
Die Verankerungsstruktur umfasst eine Vielzahl länglicher Säulen umfasst, die auf ihrer
dem Isolationsträger
abgewandten Seite jeweils ein erstes Ende aufweisen. Dabei ist wenigstens
eine Teilmenge dieser länglichen
Säulen über die
gesamte Verankerungsstruktur verteilt ist. Außerdem gilt für jede der
Säulen
der Teilmenge, dass von deren Seitenwänden jeweils kein oder höchstens
drei läng liche
Verbindungsstege ausgehen, die sich jeweils zu einer Seitenwand
einer anderen länglichen Säule erstrecken
und dort mit dieser verbunden sind. Nach dem Bereitstellen wird
die Verankerungsstruktur zwischen dem Isolationsträger und
der Metalloberfläche
positioniert. Nachfolgend werden die Metalloberfläche mit
der unteren Metallisierungsschicht und der Verankerungsstruktur
mittels eines Lotes verlötet.
Dabei werden sämtliche
Freiräume
zwischen der Metalloberfläche
und der unteren Metallisierungsschicht mit dem Lot verfüllt.
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Im
Gegensatz zu
DE
10 2009 002 065 A1 , bei denen durch Phasenbildung an der
Grenzschicht zwischen unterer Metallisierungsschicht des Substrates
und Lot eine Rauhigkeit und Verankerung im Lot erreicht werden sollte,
weist die bei der vorliegenden Erfindung eingesetzte Verankerungsstruktur eine
wesentlich höhere
mechanische Flexibilität
in seitlicher Richtung auf. Die Verankerungsstruktur gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst eine Vielzahl von schmalen hohen Säulen in
regelmäßigem oder
unregelmäßigem Abstand,
die über
die Verankerungsstruktur verteilt sind. Die Verankerungsstruktur
wird in die bisher üblichen
Weichlotschichten zwischen Substrat und Grundplatte integriert,
beispielsweise zwischen dem Isolationsträger und der Metalloberfläche des
Trägers
positioniert. Nachfolgend wird die Metalloberfläche mit der Metallisierungsschicht
sowie mit der Verankerungsstruktur mittels eines Lotes verlötet.
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Die
Funktion der Verankerungsstruktur besteht in der Verteilung der
mechanischen Spannungen über
die gesamte Dicke der Lotschicht. Die Geometrie der Verankerungsstruktur
wird für
die jeweilige Modulgeometrie (Halbleiteranordnung, Substratgrößen, Grundplattenform
und -material etc.) so optimiert, dass die mechanischen Spannungen
entsprechend verteilt und reduziert werden. Zur Lötung werden
bevorzugt Vakuumlötverfahren
eingesetzt, um Lunker in den Zwischenräumen der Verankerungsstruktur
zu vermeiden. Bevorzugt werden die Substrate auf ihrer oberen Metallisierung
mit den Leistungshalbleitern bestückt und dann mit der Grundplatte
verlötet.
Die Verankerungsstruktur kann Bestandteil oder aber unabhängig von
der Metallisierungsschicht sein. Die Verankerungsstruktur kann dabei
einstückig
mit der Metallisierungsschicht ausgebildet sein, oder aber ein von
der Metallisierungsschicht unabhängiges
Element, das mit der Metallisierungsschicht verbunden wird.
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Durch
die Verwendung einer Vielzahl von schmalen, hohen Säulen, die
zwischen ihren Seitenflächen
durch keine oder nur maximal drei Verbindungsstege zu den Seitenflächen mit
benachbarten Säulen
verbunden sind, besitzt die bei der vorliegenden Erfindung eingesetzte
Verankerungsstruktur im Vergleich zu der aus
DE 10 2009 002 065 A1 bekannten
Muldenstruktur eine wesentlich höhere
Flexibilität in
seitlicher Richtung, d. h. die Säulen
sind beim Auftreten thermomechanischer Spannungen seitlich zur Säulenlängsrichtung
sehr flexibel. Dies gilt insbesondere auch nach dem Verlöten der
unteren Substratmetallisierung mit der Metalloberfläche des
Trägers.
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Da
die mechanischen Spannungen in der Verbindungsschicht zwischen dem
Substrat und dem Träger
(z. B. einer Grundplatte) in der Grenzschicht zwischen der unteren
Metallisierungsschicht und dem Lot, d. h. im Bereich der größten thermomechanischen
Spannungen, auftreten, ist es vorteilhaft, wenn die Verankerungsstruktur
mit einer Festigkeit mit dem Isolationsträger des Substrates verbunden ist,
die höher
ist als die Festigkeit eines herkömmlichen Weichlotes. Eine solche
hochfeste Anbindung der Verankerungsstruktur an den Isolationsträger, lässt sich
beispielsweise dadurch erreichen, dass eine von der unteren Substratmetallisierung
zunächst
unabhängige
Verankerungsstruktur mittels einer dünnen Lotschicht, welche die
Ausbildung intermetallischer Phasen zulässt, an die untere Substratmetallisierung
gelötet
wird. Eine andere Möglichkeit besteht
darin, die von der unteren Substratmetallisierung zunächst unabhängige Verankerungsstruktur mittels
einer Nieder temperatur-Sinterverbindung (”NTV”; engl.: ”LTJT”) mit der unteren Substratmetallisierung
zu verbinden.
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Eine
andere Möglichkeit,
eine Verankerungsstruktur hochfest mit dem Isolationsträger eines
Substrates zu verbinden besteht darin, die Verankerungsstruktur
und die untere Substratmetallisierung, beispielsweise durch Prägen oder Ätzen, einstückig aus
demselben Material zu erzeugen.
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An
der Grenze zwischen der Verankerungsstruktur und der Metalloberfläche des
Trägers
muss die Verankerungsstruktur nicht hochfest angebunden werden,
weil dort keine allzu großen
thermisch bedingten Ausdehnungsunterschiede bestehen.
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Bei
dem Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls wird
eine solche Schaltungsträgeranordnung
hergestellt. Dabei weist das Substrat auf seiner der Unterseite
abgewandten Oberseite eine Oberseitenmetallisierung auf, auf der zumindest
ein Leistungshalbleiterchip angeordnet wird. Außerdem wird ein den Leistungshalbleiterchip und
das Substrat umgebendes Modulgehäuse
hergestellt, wobei der Träger
eine Bodenplatte des Leistungshalbleitermoduls bildet.
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1 zeigt
einen Vertikalschnitt durch eine Anordnung mit einer Metallplatte,
auf der ein Keramiksubstrat mittels einer eine Vielzahl länglicher
Säulen
aufweisenden Verankerungsstruktur befestigt ist;
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2 zeigt
einen Vertikalschnitt durch die untere Metallisierungsschicht des
in 1 gezeigten Keramiksubstrats und der an dieser
befestigten Verankerungsstruktur vor dem Verlöten des Keramiksubstrats mit
der Metallplatte;
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3 zeigt
die Anordnung gemäß 2 bei einer
auf die Verankerungsstruktur wirkenden Querbelastung;
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4 zeigt
einen Vertikalschnitt durch eine Anordnung, die sich von der Anordnung
gemäß 2 dadurch
unterscheidet, dass die untere Metallisierung des Keramiksubstrats
einstückig
mit der Verankerungsstruktur ausgebildet ist;
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5 zeigt
einen Vertikalschnitt durch eine Anordnung, die sich von der Anordnung
gemäß 4 dadurch
unterscheidet, dass sich die Säulen
in Richtung ihres freien Endes verjüngen;
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6 zeigt
einen Vertikalschnitt durch eine Anordnung, die sich von der Anordnung
gemäß 5 dadurch
unterscheidet, dass die untere Metallisierung des Keramiksubstrats
einstückig
mit der Verankerungsstruktur ausgebildet ist;
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7 veranschaulicht
einen Schritt bei der Herstellung der in 1 gezeigten
Anordnung, bei dem die Verankerungsstruktur vor dem Verlöten zwischen
dem metallisierten Keramiksubstrat und der Metallplatte, sowie ein
vorgefertigtes Lotplättchen zwischen
der Verankerungsstruktur und der Metallplatte angeordnet werden;
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8 zeigt
einen Vertikalschnitt der in 7 gezeigten
Anordnung nach dem Verlöten
des Keramiksubstrats mit der Verankerungsstruktur und der Metallplatte;
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9 zeigt
einen vergrößerten Abschnitt aus
dem Randbereich der in 8 dargestellten Anordnung;
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10 zeigt
einen Horizontalschnitt durch eine mit einem Isolationsträger verbundene
Verankerungsstruktur;
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11 zeigt
einen vergrößerten Abschnitt der
in 10 gezeigten Anordnung;
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12 zeigt
einen Horizontalschnitt durch eine andere mit einem Isolationsträger verbundene Verankerungsstruktur;
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13 zeigt
einen vergrößerten Abschnitt der
in 12 gezeigten Anordnung;
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14 zeigt
einen Horizontalschnitt durch eine weitere mit einem Isolationsträger verbundene Verankerungsstruktur;
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15 zeigt
eine Draufsicht auf die mit einer Verankerungsstruktur gemäß 4 versehene
Unterseite eines Keramiksubstrats;
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16 zeigt
eine Draufsicht auf die mit einer Verankerungsstruktur gemäß 2 versehene
Unterseite eines weiteren Keramiksubstrats, welches abgeschrägte Ecken
aufweist;
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17 zeigt
eine Draufsicht auf die mit einer Verankerungsstruktur gemäß 2 versehene
Unterseite noch eines anderen Keramiksubstrats, bei dem die Verankerungsstruktur
nur entlang eines Randabschnittes des Keramiksubstrates verläuft;
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18 zeigt
eine Draufsicht auf die mit Längsstegen
versehene Unterseite eines Keramiksubstrats;
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19 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Keramiksubstrats, das eine Metallisierung
aufweist, oft die zur Ausbildung einer Verankerungsstruktur Bonddrahtabschnitte
gebondet sind;
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20 zeigt
einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt des in 19 gezeigten
Keramiksubstrats;
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21 zeigt
einen Vertikalschnitt einer alternativen Ausgestaltung einer mittels
einer Bondtechnik hergestellten Verankerungsstruktur;
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22 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Metallplatte, mit der mehrere
voneinander beabstandete Keramiksubstrate mittels einer gemeinsamen
Front Führungsstruktur
verbunden sind;
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23 zeigt
einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt einer Anordnung, bei
der die Verankerungsstruktur stabartige Säulen mit freien Enden aufweist,
die in korrespondierende, im Träger
ausgebildete Vertiefungen angeordnet sind;
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24 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines mit einer Verankerungsstruktur versehenen
Substrats, bei dem zwei benachbarte Säulen mit quadratischem Querschnitt
mittels eines Steges verbunden sind;
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25 zeigt
eine Anordnung entsprechend der Anordnung gemäß 24 mit
dem Unterschied, dass die Säulen
anstelle eines quadratischen Querschnitts einen kreisförmigen Querschnitt
aufweisen;
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26 zeigt
eine Anordnung entsprechend der Anordnung gemäß 24 mit
dem Unterschied, dass die Stege von beiden Enden der Säulen beabstandet
sind;
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27 zeigt
eine Anordnung entsprechend der Anordnung gemäß den 24 und 26 mit dem
Unterschied, dass die Stege bündig
mit den dem Substrat abgewandten Seiten der Säulen angeordnet sind;
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28 zeigt
einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul mit einem
Substrat mit einem Isolationsträger,
dessen untere Metallisierung mit einer metallischen. Bodenplatte
verbunden ist, wobei zwischen dem Isolationsträger und der Bodenplatte eine
Verankerungsstruktur angeordnet ist; und
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29 zeigt
einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul, das sich
von dem in 26 gezeigten Leistungshalbleitermodul
dadurch unterscheidet, dass die Verankerungsstruktur nur lokal unterhalb
der Leistungshalbleiterchips des Moduls angeordnet ist.
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Die
nachfolgende detaillierte 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. wird 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.
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1 zeigt
einen Vertikalschnitt durch eine Anordnung mit einem Substrat 2,
welches mittels einer Verankerungsstruktur 3 mit einem
metallischen Träger 1,
beispielsweise einer Metallplatte oder einem Kühlkörper, verlötet ist. Der metallische Träger 1 kann
hierzu eine ebene oder leicht nach unten konvex gekrümmte Seite 1t aufweisen.
Bei einem als metallische Grundplatte für ein Leistungshalbleitermodul
ausgebildeten Träger
sorgt eine sehr geringe konvexe Krümmung der Grundplatte bei deren
Montage an einem Kühlkörper unter
Verwendung einer dazwischen eingebrachten Wärmeleitpaste dazu, den Anpressdruck
an den Kühlkörper gleichmäßiger zu
verteilen und dadurch den Wärmeübergangswiderstand
gering zu halten. Anstelle eines rein metallischen Trägers 1 kann
auch ein beliebiger anderer Träger
eingesetzt werden, der zumindest auf der Seite, die mit dem Substrat 2 verbunden
wird, eine lötbare
Oberflächenmetallisierung
aufweist. Im Falle eines als Kühlkörper ausgebildeten
Trägers
kann dieser Kühlrippen
aufweisen, und/oder Kühlkanäle zur Aufnahme
einer Kühlflüssigkeit.
Als Kühlmethoden
kommen Fluidkühlung,
beispielsweise mit Luft oder einem flüssigen Kühlmittel, oder Verdampfungskühlung in
Betracht. Der Träger 1 kann
aus einem thermisch gut leitenden Material, beispielsweise aus Kupfer
oder Aluminium, oder aus einer Legierung mit zumindest einem dieser
Metalle bestehen oder ein solches Metall bzw. eine solche Legierung
aufweisen.
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Das
Substrat 2 umfasst einen als flaches Plättchen ausgebildeten Isolationsträger 20,
der auf seiner nachfolgend als Oberseite 20t bezeichneten oberen
Hauptfläche
mit einer oberen Metallisierung 22 und auf seiner nachfolgend
als Unterseite 20b bezeichneten unteren Hauptfläche mit
einer unteren Metallisierung 21 versehen ist. Die obere
Metallisierung 22 ist zu voneinander beabstandeten Leiterbahnen
und/oder Leiterflächen
strukturiert. Mit den Leiterbahnen bzw. Leiterflächen werden ein oder mehrere
elektronische Bauelemente wie z. B. Leistungshalbleiterchips auf
dem Substrat befestigt und bei Bedarf miteinander verschaltet. Die
untere Metallisierung 21 ist als unstrukturierte Metallisierungsschicht ausgebil det.
Sie kann allerdings bei Bedarf ebenfalls strukturiert sein.
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Die
Metallisierungen 21 und 22 sind fest mit der Unterseite 20b bzw.
mit der Oberseite 20t des Isolationsträgers 20 verbunden.
Bei dem Isolationsträger 20 kann
es sich z. B. um eine Keramik handeln. Als Keramikmaterialien hierfür eignen
sich beispielsweise Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumoxid (Al2O3),
Siliziumnitrid (Si3N4), Siliziumkarbid (SiC), oder Berylliumoxid
(BeO). Die Metallisierungen 21 und 22 bestehen
aus Kupfer. Bei dem Substrat 2 kann es sich beispielsweise
um ein DCB-Substrat (DCB = Direct Copper Bonding) oder um ein AMB-Substrat (AMB = Active
Metal Brazing) handeln.
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Optional
können
die Metallisierungen 21 und/oder 22, und/oder
die Verankerungsstruktur 3 noch mit den Materialien Silber,
NiAu, NiPd, NiPdAu beschichtet werden, um lötfähige Oberflächen herzustellen oder die
Verbindung der Chips mit NTV auf der Oberseite zu erleichtern. Die
Kontaktfläche 1t des
Trägers 1 noch
mit zumindest einem der Materialien Nickel, Silber, Gold, Palladium
oder Kupfer und Kombinationen daraus beschichtet werden, um lötfähige Oberflächen herzustellen.
Solche Beschichtungen können
z. B. galvanisch, durch Sputtern oder durch Aufdampfen erzeugt werden.
Für den
Fall, dass die Verankerungsstruktur 3 als separates Teil
in die Lötschicht 4 eingebracht
wird, muss die untere Metallisierung 21 an ihrer dem Isolationsträger 20 abgewandten
Seite und/oder die dem Isolationsträger 20 zugewandte
Seite der Verankerungsstruktur 3 eine blanke Cu-Oberfläche haben,
damit sich während
des Lötprozesses
zwischen der Verankerungsstruktur 3 und der unteren Metallisierung 21 eine
Legierung aus Sn und Cu ausbilden kann, welche die Verankerungsstruktur 3 und
die untere Metallisierung 21 mit erhöhter Festigkeit verbindet.
Diese Legierung muss zumindest in Teilbereichen vertikal durchgehend
zwischen der Verankerungsstruktur 3 und der unteren Metallisierung 21 ausgebildet
sein. Optional oder alternativ kann anstelle von zwei miteinander
zu verlötenden,
blanken Cu-Oberflächen
eine der Oberflächen
auch versilbert sein, so dass sich dann Sn-Cu-, Sn-Cu-Ag-, und/oder
SnAg-Legierungen mit der gleichen Wirkung bilden können.
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Die
Verankerungsstruktur 3 weist eine Vielzahl von Zwischenräumen 5 auf,
die zwischen einer Vielzahl länglicher
Säulen 31 ausgebildet
sind, und die bevorzugt vor dem Verlöten der Verankerungsstruktur 3 mit
dem Träger 1 frei
von Festkörpermaterial
sind. Die länglichen
Säulen 31 und
die Zwischenräume 5 sind über die
Verankerungsstruktur 3 verteilt.
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Zum
Verlöten
des Substrates 2 und der Verankerungsstruktur 3 mit
dem Träger 1 wird
ein Lot 4 eingesetzt, das während des Lötprozesses aufgeschmolzen wird
und dann in die Zwischenräume 5 eindringt
und diese verfüllt.
Um eine weitestgehend lunkerfreie Verfüllung zu erreichen, wird ein
Vakuumlötprozess
angewendet. Die lunkerfreie Lötung
ist wie bei der Lötung
ohne Verankerungsstruktur notwendig um den lückenlosen Wärmewiderstand zu gewährleisten.
Die Löttemperatur,
auf die das Lot 4 erwärmt
wird, kann beispielsweise im Bereich von 240°C bis 400°C, z. B. bei 260°C, 330°C, oder 350°C, liegen.
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Dabei
wird die Menge des verwendeten Lotes etwas größer bemessen als das Volumen,
das erforderlich ist, um alle Zwischenräume 5 vollständig zu füllen. Hierdurch
kann erreicht werden, dass der Abstand zwischen der Verankerungsstruktur 3 und
der Oberseite 1t des Trägers 1 nicht
unnötig
groß wird, dass
aber die Toleranzen in den Dicken und Ebenheiten der zu verlötenden Komponenten
ausgeglichen werden. Mit dem anhand von 7 erläuterten
Verfahren und der erläuterten
Oberflächenbeschaffenheit
wird beim Lötprozess
im Fall einer separat eingebrachten Verankerungsstruktur dringt
das flüssige Lot
durch Kapillarwirkung in den Spalt zwischen der der Verankerungsstruktur 3 zugewandten
Unterseite der unteren Metallisierung 21 und der dem Isolationsträger 20 zugewandten
Oberseite der Verankerungsstruktur 3 ein und wird im Bereich
des Spaltes in eine dünne
Legierungsschicht umgewandelt.
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Die
Verankerungsstruktur 3 dient unter anderem dazu, thermomechanische
Spannungen in der Lotschicht 4 aufzunehmen und vertikal
im Lot zu verteilen und so ein Ablösen der Lotschicht 4 insbesondere
an der Grenzfläche
zwischen der Unterseite der unteren Metallisierung 21 und
dem Lot zu verhindern. Die Kräfte
konzentrieren sich dadurch insbesondere in den Eckbereichen der
Lotschicht nicht mehr so stark auf diese Grenzfläche wie dies bei einer herkömmlichen
Lötverbindung
der Fall ist.
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2 zeigt
vergrößert einen
Vertikalschnitt durch die untere Metallisierungsschicht 21 aus
dem Eckbereich des in 1 gezeigten Keramiksubstrats 2 und
der an dieser unteren Metallisierungsschicht 21 befestigten
Verankerungsstruktur 3, und zwar vor dem Verlöten des
in 1 gezeigten Keramiksubstrats 2 mit dem
Träger 1.
Jeder der länglichen
Säulen 31 erstreckt
sich in einer zur Unterseite 20b des Isolationsträgers 20 (siehe 1)
senkrechten Längsrichtung
v. Die Säulen 31 weisen
in ihrer Längsrichtung
v eine Länge
l31 von beispielsweise 200 μm
bis 5 mm auf, die identisch ist mit der Höhe h3 der Verankerungsstruktur 3,
sowie senkrecht zu ihrer Längsrichtung
v, d. h. parallel zur Unterseite 20b des Isolationsträgers 20,
eine Breite oder Durchmesser b31 von beispielsweise 3500 μm bis 1 mm.
Die Säulen 31 können außerdem in
zumindest einer zur Unterseite 20b des Isolationsträgers 20 parallelen
Richtung einen Wiederholabstand (Periodizität) dp aufweisen Dieser kann
z. B. 200 μm
bis 10 mm betragen. Dabei wird eine maximale Höhe bei minimalem Durchmesser
der Säulen 31 angestrebt,
weil dadurch die beste Verteilung der mechanischen Spannungen im
Lot erreicht wird. Der Abstand der Säulen 31 ist davon
unabhängig
und unterliegt nur Beschränkungen
der Herstellbarkeit bezüglich
des Aspektverhältnisses. Wichtig
ist, dass die Verankerungsstruktur 3 bei allen zumindest
im Eckenbereich der unteren Metallisierungsschicht 21 oder
auch entlang deren seitlichen Randes Säulen 31 vorhanden
sind.
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Wie
in 3 schematisch gezeigt ist, können sich die Säulen 31 bei
Einwirkung einer senkrecht zur Längsrichtung
v wirkenden Kraft F seitlich verbiegen.
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Jede
der Säulen 31 weist
zwei in der Längsrichtung
v voneinander beabstandete Enden 311 und 312 auf.
Während
die Enden 311 frei sind, sind die Enden 312 fest
mit der unteren Metallisierung 21 verbunden. Als Verbindungstechnik
zur Herstellung der Verbindung zwischen der Verankerungsstruktur 3 eignen
sich beispielsweise Löten
bei einer Temperatur von maximal 400°C, oder Drucksintern bei maximal
230°C, bei
dem eine silberhaltige Paste auf die untere Metallisierung 21 und/oder
die Verankerungsstruktur 3 aufgebracht und diese mit einem
Temperatur-Druck-Prozess verbunden werden. Im Falle einer Lötverbindung
kann die fertige Lotschicht überwiegend
aus wenigstens einer intermetallischen Phase bestehen und Abschnitte
aufweisen, die sich durchgehend zwischen der Verankerungsstruktur 3 und der
unteren Metallisierungsschicht 21 erstrecken, und die vollständig aus
wenigstens einer intermetallischen Phase bestehen. Die so erzeugte
Lotschicht kann zwischen der unteren Metallisierung 21 und
der Verankerungsstruktur 3 einen vollständig durchlegierten Abschnitt
mit einer Dicke von beispielsweise 2 μm bis 30 μm aufweisen.
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Dann
werden die untere Metallisierung 21 und die Verankerungsstruktur 3 unter
Druck aneinander gepresst. Das mit der Verankerungsstruktur 3 verbundene
Substrat 2 kann dann mit dem Träger 1 verlötet werden.
Die Verankerungsstruktur 3 wird also zunächst unabhängig von
der unteren Metallisierung 21 hergestellt. Um die vor dem
Verbinden von der unteren Metallisierung 21 unabhängige Verankerungsstruktur 3 einfacher
handhaben zu können,
ist es zweckmäßig, die
einzelnen länglichen Säulen 31 durch
(bei den Anordnungen gemäß den 1 bis 3 vorhandene
aber nicht dargestellte) quer zur Längsrichtung v verlaufende Verbindungsstege
miteinander zu verbinden. Die Verbindungsstege weisen bevorzugt
eine geringere Höhe
auf als die Säulen 31 und
sind möglichst
schmal ausgebildet, um keine zu große mechanische Kopplung zwischen benachbarten
Säulen 31 zu
erreichen.
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Gemäß einer
alternativen, anhand von 4 erläuterten Ausgestaltung kann
eine Verankerungsstruktur 3 auch einstückig mit der unteren Metallisierung 21 eines
Substrates ausgebildet sein. Hierbei kann die Verankerungsstruktur 3 dadurch
erzeugt werden, dass eine bereits mit der Unterseite 20t eines
Isolationsträgers 20 (siehe 1)
verbundene untere Metallisierung 21 auf ihrer dem Isolationsträger 20 abgewandten
Seite strukturiert wird. Hierzu eignet sich beispielsweise maskiertes Ätzen der
dem Isolationsträger 20 abgewandten
Seite der unteren Metallisierung 21.
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Eine ätztechnische
Herstellung einer Verankerungsstruktur 3 kann beispielsweise
so erfolgen, dass eine auf die ebene Unterseite 20b eines
Isolationsträgers 20 eine
Metallschicht mit konstanter Dicke, z. B. 400 μm bis 1 mm, aufgebracht und
danach eine Verankerungsstruktur 3 durch maskiertes Ätzen von
Vertiefungen erzeugt wird. Die Ätztiefe
kann dabei z. B. 200 μm
bis 700 μm
betragen. Sofern dabei eine Verankerungsstruktur 3 mit
länglichen
Säulen 31 erzeugt
wird, ist deren Länge
l31 identisch mit der Ätztiefe.
Gemäß einem
Beispiel kann die Metallschicht vor dem Ätzen eine konstante Dicke von
600 μm aufweisen,
während
die Länge
l31 der durch das Ätzen
erzeugten Säulen 31 300 μm beträgt. Bei
einer durch Ätzen
hergestellten Ankerstruktur kann der Abstand der Säulen 31 größer als
die 2-fache Länge
der Säulen 31 (Ätztiefe)
sein. Dies ist durch die gleichzeitige Ätzwirkung in vertikaler und
lateraler Richtung bedingt.
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Alternativ
kann ein Substrat, dessen untere Metallisierung 21 einstückig mit
einer Verankerungsstruktur 3 ausgebildet ist, auch dadurch
hergestellt werden, dass eine der beiden ebenen Hauptflächen einer
Metallfolie zur Ausbildung einer Verankerungsstruktur 3 strukturiert
und die Metallfolie dann mit der unstrukturierten Hauptfläche mit
der Unterseite 20b eines Isolationsträgers 20 verbunden
wird. Die Metallfolie bildet dann die untere Metallisierung 21 und umfasst
die Verankerungsstruktur 3. Das Strukturieren der zunächst von
dem Isolationsträger 20 unabhängigen Metallfolie
kann beispielsweise durch maskiertes Ätzen und/oder Prägen und/oder
Stanzen erfolgen.
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Wie
in 5 gezeigt ist, können sich die länglichen
Säulen 31 einer
Verankerungsstruktur 3 abweichend von den in 4 gezeigten
zylindrischen Säulen 31 in
Richtung ihrer freien Enden 311 auch verjüngen, d.
h. die Querschnittsfläche
durch die Säulen 31 in
einer zur Längsrichtung
v senkrechten Schnittebene nimmt von den Enden 312 in Richtung
der freien Enden 311 monoton oder streng monoton zu. Während die
Verankerungsstruktur 3 bei der Anordnung gemäß 5 einstückig mit
der unteren Metallisierung 21 ausgebildet ist, wurde sie
bei der Anordnung gemäß 6 nach
ihrer Herstellung mit der unteren Metallisierung 21 verbunden,
wie dies bereits anhand der 1 bis 3 erläutert wurde.
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7 zeigt
ein Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung zwischen einem
Keramiksubstrat 2 und einem Träger 1, beispielsweise
einer metallischen Bodenplatte für
ein Leistungshalbleitermodul, unter Verwendung einer von dem Substrat 2 zunächst unabhängigen Verankerungsstruktur 3.
Die Verankerungsstruktur 3 wird dabei zwischen der unteren
Metallisierung 21 des Substrates 2 und der Oberseite 1t des
Trägers 1 positioniert.
Zuvor wird zwischen der Verankerungsstruktur 3 und der
Oberseite 1t ein Lot 4 angeordnet. Das Lot kann,
beispielsweise mit einer Gesamtdicke von 50 μm bis 300 μm, als Lotpaste auf die Oberseite 1t und/oder
auf die der Oberseite 1t zugewandte Unterseite der Verankerungsstruktur 3 aufgetragen
oder als vorgefertigtes Lotplättchen
auf die Oberseite 1t aufgelegt werden. Generell richtet
sich die Dicke nach dem benötigten
Lotvolumen, das zur Verfüllung
der Hohlräume
in der Verankerungsstruktur 3 benötigt wird. Beim Verlöten des Substrates 2 und
der Verankerungsstruktur 3 kann mit der Oberfläche 1t des
Trägers 1 kann
der Kapillareffekt ausgenutzt werden, durch den das aufgeschmolzene
Lot in der die Verankerungsstruktur 3 eindringt und diese
vollständig
verfüllt.
Allgemein wird die Dicke des aufgetragenen Lotes bzw. des aufgelegten
Lotplättchens
so bemessen, dass die Hohlräume
komplett ausgefüllt
werden und ein gewisser Überschuss
besteht, der während
des Lötprozesses
verdrängt
wird. Das Substrat 2, die Verankerungsstruktur 3,
das Lot 4 und der Träger 1 werden also
beim Lötprozess
aneinander gedrückt,
während das
Lot 4 aufgeschmolzen wird. Hierbei dringt das flüssige Lot 4 außerdem von
unten in die Zwischenräume 5 und
den dünnen
Spalt zwischen der Oberseite der Verankerungsstruktur 3 und
der Unterseite der unteren Metallisierung 21 des Substrates 2 ein (sofern
ein solcher Spalt überhaupt
besteht) und verfüllt
diesen. Nach dem Erstarren des Lotes 4 bildet dieses zusammen
mit dem Substrat 2, der Verankerungsstruktur 3 und
dem Träger 1 einen
festen und temperaturwechselstabilen Verbund. Das Eindringen des
Lotes in die Zwischenräume 5 kann
dadurch begünstigt
werden, dass die Breite der Zwischenräume 5 so klein gewählt wird,
dass das flüssige
Lot 4 durch Kapillarkräfte
in die Zwischenräume 5 kriecht.
Hierzu kann z. B. ein jeder der Zwischenräume 5 zumindest in
einer zur Unterseite 20b des Isolationsträgers 20 parallelen
Richtung eine Breite von weniger als 500 μm aufweisen.
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Die
Kapillarwirkung besteht, sofern die Verankerungsstruktur 3 nicht
bereits einstückig
mit der unteren Metallisierung 21 des Substrates 2 ausgebildet
ist, auf jeden Fall für
den Spalt zwischen der dem Isolationsträger 20 zugewandten
Oberseite der Verankerungsstruktur 3 und der der Verankerungsstruktur
zugewandten Unterseite der unteren Metallisierungsschicht 21,
weil dieser Spalt durch das Aneinanderdrücken des Substrates 2,
der Verankerungsstruktur 3 und des Trägers 1 sehr dünn ist.
Beim Lötprozess
ermöglicht
dieser sehr dünne
Spalt im Spaltbereich die Ausbildung hochfester intermetallischer Phasen,
und damit einhergehend eine sehr feste Verbin dung zwischen der Verankerungsstruktur 3 und der
unteren Metallisierung 21.
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Optional
kann die Verankerungsstruktur 3 vor der Herstellung der
Lötverbindung
zwischen dem Substrat 2 und dem Träger 1 oberflächlich,
beispielsweise galvanisch, mit einem Lot versehen werden. Die Schichtdicke
des Lotes kann dabei z. B. 5 μm
bis 500 μm
betragen.
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Auf
die gleiche Weise kann eine Anordnung hergestellt werden, bei der
die Verankerurgsstruktur 3 bereits vor dem Verlöten des
Substrates 2 mit dem Träger 1 fest
mit der unteren Metallisierung 21 verbunden wurde oder
einstückig
mit der unteren Metallisierung 21 ausgebildet ist.
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Unabhängig von
ihrer Ausgestaltung kann eine Verankerungsstruktur 3 vor
dem Verlöten
des Trägers 1 mit
der unteren Metallisierungsschicht 21 bei einer Temperatur
von mehr als 350°C
getempert werden, um eine Deformation der Verankerungsstruktur 3 durch
mechanische Spannungen in der fertigen Verbindungsschicht zwischen
der unteren Metallisierungsschicht 21 und dem Träger 1 zu
erleichtern.
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8 zeigt
die Anordnung nach dem Verlöten
des Substrates 2 mit dem Träger 1. Ein vergrößerter Ausschnitt
aus dem Randbereich der Anordnung ist in 9 dargestellt.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung sind die Dichte, die Verteilung und
die Geometrie der Verankerungsstruktur 3 so eingestellt,
dass die Verankerungsstruktur 3 in einer zur Unterseite 20b des Isolationsträgers 20 parallelen
Schnittebene E-E' (siehe 9)
Gesamtquerschnittsfläche
aufweist, die wenigstens 10% und/oder höchstens 70% der Fläche der
mit dem Isolationsträger 20 verbundenen Oberseite
der unteren Metallisierung 21 beträgt.
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10 zeigt
einen Horizontalschnitt durch eine mit einem Isolationsträger 20 verbundene
Verankerungsstruktur 3 in einer der Schnittebene E-E gemäß 9 entsprechenden
Schnittebene mit Blick auf die Unterseite 20b des Isolationsträgers 20, 11 einen
vergrößerten Abschnitt
dieser Anordnung. Wie anhand von 10 zu
erkennen ist, kann sich die Verankerungsstruktur 3 über die
gesamte untere Metallisierung 21 erstrecken.
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In
den 10 und 11 sind
auch die bereits erläuterten
Stege 32 dargestellt, welche zwischen den länglichen
Säulen 31 ausgebildet
sind. Die Säulen 31 weisen
eine Breite b31. auf, die Stege 32 eine Breite b32 und
eine Länge
l32. Hierbei können verschiedene
Säulen 31 gleiche
oder unterschiedliche Breiten b31 besitzen. Entsprechend können verschiedene
Stege 32 gleiche oder unterschiedliche Breiten b32 und/oder
gleiche oder unterschiedliche Längen
l32 aufweisen. Dabei kann optional die Breite b32 eines jeden der
mit einer Säule 21 verbundenen Stege 32 kleiner
sein als die Breite b31 der betreffenden Säule 31.
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Optional
können
alle oder zumindest eine Vielzahl der länglichen Säulen 31 mit jeweils
nur genau vier Stegen 32 oder mit jeweils nur genau drei Stegen 32 oder
mit jeweils nur genau zwei Stegen 32 oder mit jeweils nur
genau einem Steg 32 mit einem oder mehreren benachbarten
der länglichen
Säulen 31 verbunden
sein. Durch den Verbund aus Säulen 31 und
Stegen 32 bildet die Verankerungsstruktur 3 eine
einteilige und damit einfach handhabbare Einheit. Die ist vor allem
dann von Vorteil, wenn die Verankerungsstruktur 3 erst
nach ihrer Herstellung mit der unteren Metallisierungsschicht 21 eines
Substrates 2 verbunden wird. Bei der in den 10 und 11 gezeigten
Verankerungsstruktur 3 weisen die länglichen Säulen 31 quadratische
Querschnitte auf. Wie beispielhaft gezeigt können die Säulen 31 in Reihen
und/oder in Spalten angeordnet sein, wobei die benachbarte Reihen
und/oder benachbarte Spal ten gegeneinander versetzt sein können. Außerdem können die
Stege 32 als gerade Stege ausgebildet sein.
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Bei
einer anderen, in 12 sowie anhand eines vergrößerten Ausschnitts
in 13 gezeigten Ausgestaltung können die Säulen 31 beispielsweise auch
rechteckige Querschnittsflächen
aufweisen. Wie anhand von diesem Beispiel ersichtlich ist, können die
Stege 32 jeweils auch zwei oder mehr gerade Abschnitte
aufweisen, die in einem Winkel ungleich 0° und ungleich 180° zueinander
parallel zur Unterseite 20b des Isolationsträgers 20 verlaufen.
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Gemäß einer
weiteren, in 14 gezeigten Ausgestaltung können die
Säulen 31 zylindrisch
geformt sein und kreisförmige
Querschnittsflächen
aufweisen. Die Verankerungsstruktur 3 kann dabei Unterstrukturen
aufweisen, in denen Säulen 31 zusammen
mit dazwischen liegenden Stegen 32 Bänder bilden. Die Verankerungsstruktur 3 entsteht
dabei durch die Verbindung mehrerer derartiger Bänder mittels weiterer Stege 32.
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Abweichend
von den gezeigten Ausgestaltungen können die Säulen 31 auch andere
als quadratische, rechteckige oder kreisförmige, beispielsweise sechseckige,
ovale oder dreieckige, Querschnittsflächen aufweisen. Grundsätzlich können die Querschnittsflächen jedoch
beliebig geformt sein. Außerdem
können
in einer Verankerungsstruktur 3 verschieden geformte Säulen 31 in
Kombination miteinander eingesetzt werden.
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15 zeigt
eine Draufsicht auf die mit einer Verankerungsstruktur 3 gemäß 4 versehene
Unterseite 20b eines Substrats 2. Die Säulen 31 sind beispielhaft
in seitlichen, d. h. in die zur Längsachse der Säulen 31 senkrechten
Richtungen über
die gesamte untere Metallisierungsschicht 21 verteilt.
Dasselbe gilt auch für
die Anordnung gemäß 16,
bei der jedoch die Ecken des Substrats 2 abgeschrägt sind.
Hierdurch können
die thermomechanischen Spannungen, die übli cherweise in den Eckbereichen eines
Substrates 2 auftreten, reduziert werden.
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Auch
das in 17 gezeigte Substrat 2 weist abgeschrägte Ecken
auf. Es unterscheidet sich vom den in den 10, 12, 15 und 16 gezeigten
Substraten 2 unter anderem dadurch, dass sich die Verankerungsstruktur 3 nicht über die
gesamte untere Hauptfläche
der unteren Metallisierung 21 erstreckt, sondern nur entlang
der seitlichen Außenkante
der unteren Metallisierung 21 verlaufenden, ringförmigen Randstreifens.
Innerhalb des ringförmigen
Randstreifens weist das Substrat 2 eine ebene Oberfläche auf,
die durch den innerhalb des Randstreifens befindlichen Oberflächenabschnitt
der unteren Metallisierung 21 gebildet ist.
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18 zeigt
ebenfalls eine Draufsicht auf die untere Metallisierung 21 eines
Substrates 2. Die Verankerungsstruktur 3 umfasst
eine Anzahl von Längsstegen 33,
die ebenso mit der unteren Metallisierung 21 ausgebildet
oder verbunden werden können,
wie dies vorangehend für
die Säulen 31 erläutert wurde. Solche
Längsstege 33 können beispielsweise
parallel entlang des seitlichen Randes der unteren Metallisierung 21 verlaufen.
Die Längsstege 33 können z. B.
Längen
l33 im Bereich von 300 um bis 2 mm aufweisen, und/oder Höhen (entsprechend
den Längen l31)
von 200 μm
bis 500 μm.
Grundsätzlich
können Säulen 31 auch
in Kombination mit derartigen Längsstegen 33 vorgesehen
werden.
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19 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Keramiksubstrats 2,
dessen untere Metallisierung 21 nach oben gerichtet ist.
Auf die untere Metallisierung 21 ist eine Verankerungsstruktur 3 aufgebracht,
bei der die Säulen 31 durch
Bonddrahtabschnitte gebildet sind. Jeder der Bonddrahtabschnitte 31 ist
an einem Ende 312 an die untere Metallisierung 21 gebondet,
während
das andere Ende 311 frei und von der unteren Metallisierung 21 beabstandet ist.
Bei der Herstellung dieser Struktur wird zunächst das Ende 312 des
Bond drahtes an die untere Metallisierung 21 gebondet und
dann mit dem Schneidwerkzeug des Bonders abgeschnitten oder mit
dem Schneidwerkzeug des Bonders geritzt und dann abgerissen. Die
Bonddrahtabschnitte 31 sind beispielhaft innerhalb eines
entlang des seitlichen Randes der unteren Metallisierung 21 verlaufenden
Randstreifens angeordnet, wie er bereits anhand von 17 erläutert wurde. 20 zeigt
vergrößert einen
Vertikalschnitt durch zwei benachbarte solcher Säulen 31. Diese weisen
eine Höhe
h31 auf, die als Länge
l31 der Säule 31 im
Sinne der anhand der 2, 4, 5, 6 erläuterten
Länge l31
angesehen wird. Als Breite b31 wird der Durchmesser des Bonddrahtes
außerhalb
der Bondstellen angesehen.
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Gemäß einer
alternativen, in 21 gezeigten Ausgestaltung kann
derselbe Bonddrahtabschnitt 31 auch an zwei benachbarten,
in einem Abstand d31 voneinander beabstandeten Stellen. auf die
untere Metallisierung 21 gebondet sein. Hierbei kann der
Mittenabstand d31 zweier benachbarter Bondstellen, an denen ein
Bonddrahtabschnitt 31 auf die untere Metallisierungsschicht 21 gebondet
ist, kleiner sein als die Höhe
h31 einer zwischen diesen Stellen ausgebildeten Schleife dieses
Bonddrahtabschnittes. Weiterhin kann der Bonddrahtabschnitt 31 außerhalb von
Bondstellen einen Durchmesser von beispielsweise 100 μm bis 1 mm
aufweisen.
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Bei
den bisher erläuterten
Beispielen war jede Verankerungsstruktur 3 genau einem
Substrat 2 zugeordnet. Davon abweichend zeigt 22 beispielhaft
eine perspektivische Ansicht eines Trägers 1, auf dem zwischen
mehreren voneinander beabstandeten Substraten 2 einerseits
und dem Träger 1 andererseits
eine allen Substraten 2 gemeinsame Verankerungsstruktur 3 vorgesehen
ist. Eine solche Verankerungsstruktur 3 kann beispielsweise
netzartig mit Säulen 31 und
Stegen 32 aufgebaut sein, wie z. B. die in den 10, 11, 12, 13, 14 gezeigten
Netze, oder wie z. B. ein gewobenes Netz. Ebenso können die
unteren Metallisierungen 21 der Substrate 2 durch
Abschnitte einer durchgehenden Metallfolie gebildet sein, die zunächst auf einer
ihrer Hauptflächen,
beispielsweise durch Prägen,
mit einer Verankerungsstruktur 3 versehen wurde, und mit
deren anderer Hauptfläche
dann die optional bereits mit ihren oberen Metallisierungen 22 versehenen
und mit einem oder mehreren Halbleiterchips bestückten Isolationsträger 20 verbunden
werden. Bevorzugt wird in diesem Beispiel das anhand von 7 erläuterte Verfahren
angewendet, wobei das Lot zwischen der Verankerungsstruktur 3 und dem
Träger 1 positioniert
wird und beim Lötprozess von
unten in die Hohlräume
fließt
und dabei – sofern die
Verankerungsstruktur 3 nicht bereits mit der unteren Metallisierung 21 verbunden
oder einstückig
mit dieser ausgebildet ist – bis
in den Spalt zwischen der unteren Metallisierung und der Verankerungsstruktur 3 gelangen,
so dass in dem Spalt wie bereits erläutert eine. hochfeste Legierung
entsteht.
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Unabhängig von
der Ausgestaltung der Verankerungsstruktur 3 kann diese
eine Höhe
h3 von beispielsweise mehr als 100 μm, z. B. im Bereich von 300 μm bis 5 mm,
aufweisen.
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Weiterhin
kann eine Verankerungsstruktur 3, unabhängig von ihrer Ausgestaltung,
z. B. aus Kupfer gebildet sein. Optional kann eine Verankerungsstruktur 3 eine
Beschichtung aus Ag, Ni/Au, Ni/Pd, Ni/Pd/Au aufweisen. Die Dicke
einer solchen Beschichtung kann z. B. 2 μm bis 10 μm betragen.
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Als
Lot 4 zur Herstellung der Verbindung zwischen einem Träger 1 und
einem Substrat 2 eignen sich z. B. alle Lote mit einem
signifikanten Zinnanteil. Beispielhaft seien folgende Lote genannt:
SnSb5; SnAg3,5; SnAg3,5Cu0,5; SnAg3,5Cu0,7; SnAg20, J-, K-, oder
L-Legierungen, oder allgemein SnxAgy, SnxAgyCuz, SnxCuy.
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Wie
aus 22 ersichtlich ist, kann sich die Verankerungsstruktur 3 auch
umlaufend über
die seitliche Begrenzung des Substrates 2 bzw. über die der
Kontaktfläche 1t des
Trägers 1 zugewandte
Unterseite der unteren Metallisierung 21 hinaus erstrecken.
Diese Maßnahme
ist optional auch für
Verankerungsstrukturen 3 möglich, auf denen jeweils nur genau
ein Substrat angeordnet ist. Durch dieses seitlich umlaufende Überragen
der Substrat- bzw. Metallisierungsbegrenzungen sind die mechanischen Spannungen
an Rändern
und Ecken der Substrate 2 zusätzlich optimierbar.
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23 zeigt
eine Weiterentwicklung der vorgenannten Verbindungstechnik, wobei
der Träger 1 Vertiefungen 11 aufweist,
welche mit den freien Enden 311 der Säulen 31 korrespondieren
und in die die freien Enden 311 hinein greifen, wo sie
mit dem Träger 1 verlötet sind.
Die Vertiefungen 11 können
eine Tiefe t11 von beispielsweise 200 μm bis 3 mm aufweisen, und/oder
eine Breite b11, die um wenigstens 0,1 μm größer ist als die Breite bzw.
der Durchmesser b31 der Säulen 31.
Die Säulen 31 können wie
vorangehend erläutert
mittels Verbindungsstegen 32, die eine Länge l32
aufweisen und sich zwischen den Seitenwänden zweier benachbarter Säulen 31 erstrecken,
verbunden sein.
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Die 24 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines mit einer Verankerungsstruktur 3 versehenen
Substrats 2, bei dem zwei benachbarte Säulen 31 mit quadratischem
Querschnitt mittels eines Steges 32 verbunden sind. In
dieser Ansicht ist deutlich zu erkennen, dass die Stege 32 zwischen
den Seitenwänden 313 zweier
benachbarter Säulen 31 verlaufen.
Durch gestrichelte Linien wird angedeutet, dass von einer Säule 31 auch
zwei oder mehr Verbindungsstege 32 ausgehen bzw. dort enden
können.
Ebenso ist es möglich,
dass eine Säule 31 nicht
mit Verbindungsstegen 32 versehen ist und nur an ihrem
dem freien Ende 311 abgewandten Ende 312 fixiert
ist.
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25 zeigt
eine Anordnung entsprechend der Anordnung gemäß 24 mit
dem Unterschied, dass die Säulen 31 anstelle
eines quadratischen Querschnitts einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
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Bei
den in den 24 und 25 gezeigten Verankerungsstrukturen 3 sind
die Verbindungsstege 3 bündig mit den dem Substrat 2 zugewandten
Enden 312 der Säulen 31 angeordnet.
Abweichend davon können
die Verbindungsstege 32 jedoch auch sowohl von den dem
Substrat 2 abgewandten Enden 311 als auch von
den dem Substrat 2 zugewandten Enden 312 der Säulen 31 beabstandet
sein, was in 27 beispielhaft anhand von Säulen 31 mit
rechteckigem Querschnitt veranschaulicht ist. Ebenso können die
Verbindungsstege 32 auch bündig mit den dem Substrat 3 abgewandten
Enden 311 der Säulen 31 angeordnet
sein, was in 28 beispielhaft anhand von Säulen 31 mit
rechteckigem Querschnitt veranschaulicht ist.
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28 zeigt
eine vertikale Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls 100,
welches wie vorangehend beschrieben ein Substrat 2 aufweist,
dessen untere Metallisierung 21 mittels einer Verankerungsstruktur 3 mit
einem Träger 1 unter
Verwendung eines Lotes 4 verlötet ist. Das Modul 100 umfasst
ein Gehäuse 6 mit
einem umlaufenden, elektrisch isolierenden Gehäuserahmen 61, sowie
einem Gehäusedeckel 62.
Der Träger 1 ist
als metallische Bodenplatte ausgebildet und stellt die untere Gehäusewand
des Moduls 100 dar. Die Bodenplatte 1 kann beispielsweise
eine Dicke von 0,1 mm bis 20 mm aufweisen.
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Auf
der oberen Metallisierung 22 des Substrats 2 sind
mehrere Leistungshalbleiterchips 8 angeordnet und mittels
einer Verbindungsschicht 81, beispielsweise eines Lotes,
eines elektrisch leitenden Klebers oder einer Silberdrucksinterverbindung,
mit dieser verbunden. Die Leistungshalbleiterchips können beispielsweise
ein steuerbarer Leistungshalbleiter sein wie etwa zum Beispiel MOSFETs,
IGBTs, Thyristoren, JFETs oder Leistungsdioden. Die Leistungshalbleiterchips 8 sind
Halbleiterchips mit hohen Nennströmen und/oder hohen Nennspannungen. Beispielsweise
können
die Nennströme
größer als
50 A oder größer als
75 A sein, die Nennspannungen größer als
zum Beispiel 400 V. Zudem können
die Leistungshalbleiterchips Grund flächen von beispielsweise mehr
als 5,5 mm × 5,5
mm oder mehr als 7 mm × 7
mm aufweisen.
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Oberseitig
erfolgt die elektrische Verschaltung der Leistungshalbleiterchips 8 mit
Abschnitten der oberen Metallisierung 22 mittels Bonddrähten 82. Anstelle
von Bonddrähten 82 können auch
beispielsweise Metallclips vorgesehen sein, mit der Chipoberseite
und/oder der oberen Metallisierung 22 durch Löten, elektrisch
leitendes Kleben oder Silberdrucksintern elektrisch leitend verbunden
sind.
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Um
das Leistungshalbleitermodul 100 extern zum Beispiel an
eine Stromversorgung, eine Last, eine Steuereinheit usw. anzuschließen, sind
Anschlüsse 91, 92, 93, 94 vorgesehen.
Die Anschlüsse 91, 92 können zum
Beispiel als Stromversorgungsanschlüsse ausgebildet sein und elektrisch
und/oder mechanisch mit Abschnitten 221, 222, 223, 224, 225, 226 der
oberen Metallisierung 22 verbunden sein. Stromversorgungsanschlüsse können auch
im Rahmen des Gehäuses
positioniert und mit Bondrähten mit
der oberen Substratmetallisierung 22 verbunden sein. Die
Anschlüsse 93, 94 können zum
Beispiel Steueranschlüsse
für einen
oder mehrere der Leistungshalbleiterchips 8, oder Ausgangsanschlüsse, an
denen Signale ausgegeben werden können, die Informationen betreffend
den Status des Moduls 100 bereitstellen.
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Über den
Leistungshalbleiterchips 8 ist eine optionale gedruckte
Leiterplatte (PCB) 95 zum Verschalten interner Treiberanschlüsse vorgesehen.
Die gedruckte Leiterplatte 95 kann auch mit Steuerelektronik
zum Ansteuern der steuerbaren der Leistungshalbleiterchips 8 ausgestattet
sein. Leistungshalbleitermodule, die eine Steuerelektronik enthalten,
werden auch als intelligente Leistungsmodule (IPM – Intelligent
Power Modules) bezeichnet.
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Zur
Erhöhung
der Isolationsfestigkeit ist der untere Teil des Leistungshalbleitermoduls 1 ist
mit einer optionalen Weich vergussmasse 51, zum Beispiel einem
Silikongel, vergossen. Die Weichvergussmasse 51 kann sich
in der vertikalen Richtung v von dem Substrat 2 mindestens über die
Leistungshalbleiterchips 8 oder die Bonddrähte 82 hinaus,
beispielsweise bis zu der gedruckten Leiterplatte 95, erstrecken. Über der
Weichvergussmasse 51 ist eine optionale Hartvergussmasse 52,
zum Beispiel aus einem Epoxidharz, angeordnet, um die Anschlüsse 91, 92, 93, 94 und
die gedruckte Leiterplatte 95 elektrisch zu isolieren und
mechanisch zu stabilisieren.
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Wie
in 28 gezeigt ist, kann sich die Verankerungsstruktur 3 über die
gesamte untere Metallisierung 21 des Substrates 2 erstrecken.
Grundsätzlich
kommt jedoch für
die Geometrie der Verankerungsstruktur 3 jede beliebige
andere Anordnung, beispielsweise eine der anhand der 10, 12, 15, 16, 17, 18, 19 Anordnungen,
in Betracht.
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Bei
der Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 100 können die
Leistungshalbleiterchips 8 fest mit der oberen Metallisierungsschicht 22 verbunden
werden, bevor die Metalloberfläche 1t mit
der unteren Metallisierungsschicht 21 und mit der Verankerungsstruktur 3 verlötet wird.
Der durch das Verlöten der
Metalloberfläche 1t mit
der unteren Metallisierungsschicht 21 und mit der Verankerungsstruktur 3 gebildete
Verbund kann dann mit den elektrischen Anschlüssen 91, 92, 93, 94 versehen
und die elektrische Funktionsfähigkeit
der dadurch gebildeten Schaltgruppe getestet werden. Nach erfolgreicher Testung
kann die Schaltgruppe in den Rahmen 61 oder in das gesamte
Modulgehäuse 6 eingesetzt
und mit den Vergussmassen 51 und 52 vergossen
werden. Vorteilhaft ist es, wenn dies Schaltgruppe vor dem Einsetzen
in den Gehäuserahmen 61 oder
das Modulgehäuse 6 mit
elektrischen Anschlusskontakten versehen und die elektrische Funktionsfähigkeit der
dadurch gebildeten Schaltgruppe getestet wird. Hierdurch kann eine
schadhafte Schaltgruppe durch eine funktionierende Schaltgruppe
ersetzt werden, bevor sie in dem Gehäuse 6 verbaut wird.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Schaltgruppe nach ihrer Herstellung
keinen Temperaturen von mehr als 400°C ausgesetzt wird.
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Ein
weiteres Beispiel für
eine mögliche
Anordnung der Verankerungsstruktur 3 bei einem Leistungshalbleitermodul 100 zeigt 29.
Bei diesem Modul 100 ist die Verankerungsstruktur nur lokal
unterhalb der Leistungshalbleiterchips 8 angeordnet, d. h.
unterhalb der Stellen, an denen die höchsten Temperaturen auftreten.
Dies ist dann von Vorteil, wenn die Leistungshalbleiterchips 8 einen
größeren Abstand
von den Substraträndern
haben, wo beim Betrieb der Anordnung Temperaturwechsel mit geringeren
Temperaturhüben
stattfinden als im Bereich der Leistungshalbleiterchips 8.
Außerdem
ist diese Struktur von Vorteil, wenn der Träger 1 aus einem MMC-Material wie z. B.
AlSiC besteht. Dann können die
thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Trägers 1 und des Isolationsträgers 20 annähernd aneinander
angepasst sein, während
sich der thermische Ausdehnungskoeffizient des Lotes 4 deutlich
von diesen Ausdehnungskoeffizienten unterscheidet, was ohne Verankerungsstruktur 3 zu
einer signifikant höheren
Ermüdung
des Lotes führen
würde als
mit der vorgesehenen Verankerungsstruktur 3.