DE102014111930A1

DE102014111930A1 - Thermally highly conductive, electrically insulating housing with electronic components and manufacturing processes

Info

Publication number: DE102014111930A1
Application number: DE102014111930.4A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-08-20
Filing date: 2014-08-20
Publication date: 2016-02-25

Abstract

Eine der wesentlichen Aufgabenstellungen an verlustbehaftete elektronische Schaltungen ist eine Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT), die sowohl die einzelnen Potentiale elektrisch isoliert wie auch eine gute Wärmeabfuhr aus dem Halbleiter ermöglicht. Grundsätzlich ist das Prinzip aber bei allen Anforderungen in denen elektrische Isolation wie auch gute Wärmeleitung gefordert sind, einsetzbar und vorteilhaft. Aufgabe ist es, einen möglichst geringen thermischen Gesamtwiderstand zu erreichen, was nur durch extrem dünne Schichten oder sehr hohe Leitfähigkeiten des Schichtaufbaues zu erreichen ist. Aufgabe ist es ebenso, gute Isolationseigenschaften von passenden Kunststoffmaterialien durch Minimierung der Schichtdicke zur Reduzierung des thermischen Widerstandes zu nutzen. Vorgeschlagen wird dazu ein Halbleitergehäuse aus einem metallischen Leadframe (1), zumindest einem Halbleiter (3), der flächig auf dem strukturierten Leadframe (1) aufliegt und mit ihm elektrisch und thermisch verbunden ist. Eine 5µ bis 50µ dicke Polyimidfolie (2) ist vorgesehen, welche mit einem Epoxid-Kleber (7) mit einer Schichtdicke kleiner 20µm beschichtet ist und darüber mit dem Leadframe (1) auf der dem zumindest einen Halbleiter-Bauteil (3) gegenüber-liegenden Seite (1b) flächig verklebt ist und durch Einspritzen von Moldmasse ein Gehäuse bildet, bei dem der Polyimidfilm (2) nicht umspritzt an der Oberfläche bleibt und über die Fläche des Gehäusekörpers (6) hinausragt.One of the main tasks of lossy electronic circuits is a construction and connection technique (AVT), which enables both the individual potentials electrically isolated as well as a good heat dissipation from the semiconductor. In principle, however, the principle is applicable and advantageous for all requirements in which electrical insulation as well as good heat conduction are required. The task is to achieve the lowest possible total thermal resistance, which can be achieved only by extremely thin layers or very high conductivities of the layer structure. The task is also to use good insulation properties of suitable plastic materials by minimizing the layer thickness to reduce the thermal resistance. For this purpose, a semiconductor housing made of a metallic leadframe (1), at least one semiconductor (3), which rests flat on the structured leadframe (1) and is electrically and thermally connected to it, is proposed. A 5μ to 50μ thick polyimide film (2) is provided, which is coated with an epoxy adhesive (7) having a layer thickness of less than 20μm and above with the leadframe (1) on the at least one semiconductor component (3) opposite Side (1b) is adhesively bonded flat and forms by injecting molding compound a housing in which the polyimide film (2) is not overmolded on the surface and extends beyond the surface of the housing body (6).

Description

Diese Offenbarung (und die Ansprüche) betreffen Halbleitergehäuse aus einem metallischen Leadframe, zumindest einem Halbleiter, der flächig auf dem strukturierten Leadframe liegt und elektrisch und thermisch verbunden ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitergehäuses. Das Halbleitergehäuse hat einen metallischen Leadframe, zumindest einen Halbleiter, der flächig auf dem strukturierten Leadframe elektrisch und thermisch verbunden ist, sowie weitere Verbindungen auf einer Oberseite des Halbleiters zu dem Leadframe oder anderen Halbleitern auf dem Leadframe. Ein Leadframe ist ein lötbarer metallischer Leitungsträger in Form eines Rahmens oder Kamms zur maschinellen Herstellung von Halbleiterchips oder anderen elektronischen Komponenten, vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Leadframe This disclosure (and the claims) relate to semiconductor packages made of a metallic leadframe, at least one semiconductor, which lies flat on the structured leadframe and is electrically and thermally connected, and to a method for producing a semiconductor package. The semiconductor package has a metallic leadframe, at least one semiconductor electrically and thermally coupled to the patterned leadframe, and further interconnections on top of the semiconductor to the leadframe or other semiconductors on the leadframe. A leadframe is a solderable metallic conductor carrier in the form of a frame or comb for the machining of semiconductor chips or other electronic components, cf. http://de.wikipedia.org/wiki/Leadframe

Stand der Technik ist Prior art is

WO 2008 090734 A1 - MCM power
JP 2009 123953 A - MCM Molded
DE 10 2009 014 794 B3
CN 101 847 589 A
KR 2010 010 9369 A
US 2009 035896 A1
US 2010 133684 A1

Ein Einsatz derartiger Gehäuse sind beispielsweise IPMs (Intelligent Power Modules) deren elektrische Komponenten die Leistungsbauteile und deren Ansteuerkomponenten für Motorsteuerungen beinhalten, vgl. auch die SPM – Smart Power Modules von Fairchild http://www.fairchildsemi.com/product-technology/spm/ . An example of an application of such housings are IPMs (Intelligent Power Modules) whose electrical components include the power components and their drive components for motor controls, cf. also the SPM - Smart Power Modules from Fairchild http://www.fairchildsemi.com/product-technology/spm/ ,

Während in der Anfangszeit bei IPMs mit DCB (Direct Copper Bonding) oder IMS (Insulated Metal Substrates) vergossen in Modulen eingesetzt wurden hat wegen des kontinuierlichen Kostendrucks heute bei in großen Stückzahlen gefertigten IPMs die aus der IC Umhüllung bekannte Transfermoldingtechnik Einzug gefunden. Dabei wird die schlechte thermische Leitung der Umhüllungsmasse mit weniger als 0,5 °K/W durch die Integration von thermisch hoch leitfähigen DCB oder IMS Substraten erreicht, die in das Gehäuse mit integriert werden. While IPMs with DCB (Direct Copper Bonding) or IMS (Insulated Metal Substrates) were used as modules in the early days, the transfer molding technology known from the IC packaging has now found its way into large-volume IPMs due to the continuous cost pressure. In this case, the poor thermal conduction of the cladding compound is achieved at less than 0.5 ° K / W by the integration of thermally highly conductive DCB or IMS substrates, which are integrated into the housing.

"Hoch leitfähig" nach EIA/JESD 51 Standard bei Halbleitergehäusen werden Gehäuse mit einem Wärmeübergangs-Widerstand vom Halbleiter zum Kühlkörper (der thermische Widerstand) kleiner als 1 °K/W bezeichnet, während übliche Moldgehäuse typisch 10 °K/W also einen um den Faktor 10 schlechtere Kühlung bei gleicher Verlustleistung ermöglichen. "Highly conductive" according to EIA / JESD 51 Standard for semiconductor housings, housings with a heat transfer resistance from the semiconductor to the heat sink (the thermal resistance) are referred to as less than 1 ° K / W, while common mold housings typically refer to 10 ° K / W Factor 10 allow for worse cooling with the same power loss.

Die Transfermolding Technik, auch kurz Molding oder RTM (Resin Transfer Molding) bezeichnet, umhüllt dabei die Schaltungsträger mit duroplastischem Material. Die verwendeten Massen haben "sehr gute Isolationseigenschaften" mit einem Wert von größer als 100 kV/mm und lassen sich als dünnflüssige Masse, in die Kavität eines Werkzeuges einspritzen und umhüllen dort den Schaltungsträger. Heute werden monatlich Milliarden von Bauelementen wie ICs, Transistoren, Multichipmodulen mit Transfermolding umhüllt. The Transfermolding technique, also referred to as Molding or RTM (Resin Transfer Molding), encloses the circuit carriers with thermosetting material. The masses used have "very good insulation properties" with a value of greater than 100 kV / mm and can be injected as a liquid mass into the cavity of a tool and encase the circuit carrier there. Today billions of components such as ICs, transistors, multichip modules are covered with transfer molding every month.

Dabei wird aus einem Reservoir mit zunächst fester bzw. flüssiger Moldmasse eine Werkzeugkammer unter Druck und Wärme über Einspritzkanäle mit dünnflüssiger Masse gefüllt. Die Moldmasse wird unter Wärmezufuhr ausgehärtet. Das Transfermolding ist bekannt und umfasst sehr viele Anwendungen in der Elektrotechnik von Lampensockeln bis zum miniaturisierten Chip Size Package Gehäuse für Halbleiter. Grund für den Einsatz des Verfahrens ist eine sehr niedrige Viskosität in der Verarbeitung während des Umhüllungsprozesses und die hohe thermische Stabilität, die bis an die Funktionsgrenze von Halbleitern gewährleistet ist. Heute werden sowohl kleinste wie große Halbleiter in RTM Gehäusen hergestellt. Zumeist wird Epoxid als Bindemittel mit feinst gemahlenen isolierenden Feststoffen als Füllstoff eingesetzt. In this case, a tool chamber is filled under pressure and heat via injection channels with low-viscosity mass from a reservoir with initially solid or liquid molding compound. The molding compound is cured with heat. The transfer molding is well known and covers a great many applications in the field of electrical engineering, from lamp sockets to miniaturized chip size packages for semiconductors. The reason for the use of the method is a very low viscosity in the processing during the coating process and the high thermal stability, which is guaranteed up to the functional limit of semiconductors. Today, both small and large semiconductors are manufactured in RTM housings. In most cases, epoxy is used as a binder with very finely ground insulating solids as a filler.

Ein IPM ist im Sinne der Verbindungstechnik ein MCM (Multichipmodul) wie es in Bild 4 dargestellt ist. Dabei werden die Halbleiter (3) auf einem Leadframe (1), einem durch Stanzen oder Ätzen strukturierten geätzten Metallrahmen, elektrisch und thermische gut leitend verbunden. Dies kann durch Löten, Kleben, Sintern erfolgen und verbindet den metallenen Leadframe flächig mit den Halbleitern. Die weiteren Verbindungen werden durch Bonden (4) von Drähten oder Bändchen aus Gold, Kupfer oder Aluminium erzeugt. (z.B. durch Ultraschallschweißen. ) An IPM is an MCM (multichip module) in the sense of connection technology as shown in Figure 4. The semiconductors ( 3 ) on a leadframe ( 1 ), an etched metal frame structured by stamping or etching, electrically and thermally conductively connected. This can be done by soldering, gluing, sintering and connects the metal leadframe flat with the semiconductors. The further connections are made by bonding ( 4 ) of wires or tapes made of gold, copper or aluminum. (eg by ultrasonic welding.)

Die flächige Verbindung des Halbleiters erfolgt mit hoher thermischer Leitfähigkeit durch Löten, Sintern oder Kleben. Um die Größenordnungen deutlich zu machen: Die Leadframes aus Kupfer haben eine thermische Leitfähigkeit von ca. 400W/mK, das Lot hat ca. 70W/mK, Silizium 150W/mK Moldmasse 1 bis 2W/mK, AluminiumOxid 30W/mK, Polyimid 0,3 bis 0,4W/mK, Luft 0,026W/mK. Damit hat man im Aufbau Leitfähigkeitsunterschiede von bis zu 1/15.000. The surface connection of the semiconductor is carried out with high thermal conductivity by soldering, sintering or gluing. To make the order of magnitude clear: The leadframes made of copper have a thermal conductivity of approx. 400W / mK, the solder has approx. 70W / mK, silicon 150W / mK molding compound 1 to 2W / mK, aluminum oxide 30W / mK, polyimide 0, 3 to 0.4W / mK, air 0.026W / mK. This gives rise to conductivity differences of up to 1 / 15,000.

Eine der wesentlichen Aufgabenstellungen an verlustbehaftete elektronische Schaltungen ist eine Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT), die sowohl die einzelnen Potentiale elektrisch isoliert wie auch eine gute Wärmeabfuhr aus dem Halbleiter ermöglicht. Beispiele sind IPMs (integrated Power Modules), die eine wesentliche Rolle in der energieeffizienten Steuerung z.B. in der Antriebstechnik, in der Photovoltaik und Klimatechnik spielen, aber auch die LED Technik für Beleuchtung hat ähnliche Anforderungen. Grundsätzlich ist das Prinzip aber bei allen Anforderungen in denen elektrische Isolation wie auch gute Wärmeleitung gefordert sind, einsetzbar und vorteilhaft. One of the main tasks of lossy electronic circuits is a construction and connection technique (AVT), which enables both the individual potentials electrically isolated as well as a good heat dissipation from the semiconductor. Examples are IPMs (Integrated Power Modules), which play an important role in energy efficient control, eg in drive technology, in photovoltaic and air conditioning technology, but also the LED technology for lighting has similar requirements. In principle, however, the principle is applicable and advantageous for all requirements in which electrical insulation as well as good heat conduction are required.

Diese Aufgabe soll einfach und kostengünstig gelöst werden. Aufgabe ist es weiterhin einen möglichst geringen thermischen Gesamtwiderstand zu erreichen, was nur durch extrem dünne Schichten oder sehr hohe Leitfähigkeiten des Schichtaufbaues zu erreichen ist. Aufgabe ist es ebenso, gute Isolationseigenschaften von passenden Kunststoffmaterialien durch Minimierung der Schichtdicke zur Reduzierung des thermischen Widerstandes zu nutzen. Dies stellt den Fachmann vor ein multikriterielles Optimierungsproblem. This task should be solved easily and inexpensively. The task is furthermore to achieve the lowest possible overall thermal resistance, which can only be achieved by means of extremely thin layers or very high conductivities of the layer structure. The task is also to use good insulation properties of suitable plastic materials by minimizing the layer thickness to reduce the thermal resistance. This presents the skilled person with a multi-criteria optimization problem.

Gelöst wird die Aufgabe mit Anspruch 1 oder Anspruch 10. The problem is solved with claim 1 or claim 10.

Bei einem flächigen Aufbau aus Halbleiter, Lot, Leadframe, Isolationschicht bis zu einem Kühlkörper trägt damit bei gleicher Dicke das elektrisch isolierende Material den weitaus größten Anteil des Wärmewiderstandes bei. In the case of a planar structure comprising semiconductors, solder, leadframe, insulation layer up to a heat sink, the electrically insulating material contributes by far the largest part of the thermal resistance at the same thickness.

Polyimid hat etwa den 1.000 fachen Anteil an dem thermischen Widerstand, sofern das Material genauso dick ist. Selbst bei thermisch hoch-leitfähigen isolierenden Keramiken, z.B. Aluminiumoxid, trägt das Isolationsmaterial immer noch ca. 5fach zum thermischen Gesamtwiderstand bei gleicher Dicke bei. Aufgabe der Auslegung ist es, immer unter den Randbedingungen max. Halbleitertemperatur (an der Oberfläche) einen möglichst geringen thermischen Gesamtwiderstand zum Kühlkörper zu erreichen. Polyimide has approximately 1,000 times the thermal resistance, as long as the material is just as thick. Even with thermally highly conductive insulating ceramics, e.g. Alumina, the insulation material still contributes about 5 times the total thermal resistance at the same thickness. The task of the design is always under the boundary conditions max. Semiconductor temperature (on the surface) to achieve the lowest possible total thermal resistance to the heat sink.

Bei der DCB-Technik mit einer Durchschlagfestigkeit von zumindest 20 kV/mm nutzt man die relativ gute thermische Leitfähigkeit des Aluminiumoxids mit (zumindest) 30W/mK um eine gute Wärmeleitung zu erreichen. Beim IMS wird eine sehr dünne Schicht aus Epoxid oder Polyimid verwendet. Hier kommt die sehr hohe Durchschlagfestigkeit des Materials mit mehr als 200 kV/mm zum Tragen, die sehr dünne Schichten mit ausreichender Isolation nach IEC 60243-1 zulässt. In the case of the DCB technique with a dielectric strength of at least 20 kV / mm, the relatively good thermal conductivity of the aluminum oxide is used with (at least) 30 W / mK in order to achieve good heat conduction. The IMS uses a very thin layer of epoxy or polyimide. Here, the very high dielectric strength of the material with more than 200 kV / mm comes into play, the very thin layers with sufficient insulation after IEC 60243-1 allows.

Da die Dicke der den Aufbau umhüllenden Schicht durch die Isolationseigenschaften des Materials und die Grenzen der Schichtdicken begrenzt sind, scheidet das übliche Umhüllen mit Moldmassen als gute Wärmeübertrager aus. Aus fertigungstechnischen Gründen kann die Wandstärke nicht wesentlich geringer als 1mm sein, da ansonsten die Moldkräfte ein Verbiegen des Schaltungsträgers (Leadframes) erzeugen würde und ein unkontrollierter Abstand zur Außenhülle das Ergebnis wäre. Mit den heute bekannten Technologien würde der thermische Widerstand des Moldgehäuses damit weiter mindestens 10fach höher sein als die aus einem 100 µm dicken Halbleiter gebildete Wärmequelle, die über ein 100µm dickes Lot und einem 300µm Kupfer-Leadframe an die Außenfläche übertragen wird. Since the thickness of the layer enveloping the structure is limited by the insulating properties of the material and the limits of the layer thicknesses, the usual encapsulation with molding compounds separates out as good heat exchangers. For manufacturing reasons, the wall thickness can not be significantly less than 1mm, otherwise the mold forces would produce bending of the circuit carrier (leadframes) and an uncontrolled distance to the outer shell would be the result. With the technologies known today, the thermal resistance of the mold housing would thus continue to be at least 10 times higher than the heat source formed from a 100 μm thick semiconductor, which is transferred to the outer surface via a 100 μm thick solder and a 300 μm copper leadframe.

WO2013/061183 schlägt einen weiteren Verfahrensschritt beim Molden vor, in Gestalt einer durch Siebdruck aufgebrachten dünnen thermisch leitfähigen Schicht auf dem Leadframe. Gegenüber diesem Verfahren wird mit der erfindungsgemäßen Lösung eine deutliche Prozessreduzierung mit besserer Ausbeute und eine einfache Integration in bestehenden Moldanlagen ermöglicht. WO2013 / 061183 proposes a further process step in Molden, in the form of a screen-printed thin thermal conductive layer on the leadframe. Compared to this method, a significant process reduction with better yield and easy integration in existing mold systems is made possible with the inventive solution.

Stand der Technik ist es bisher, einen isolierenden thermisch gut leitfähigen Träger (DCB/IMS Substrat) der Schaltung anstelle des Leadframes zu verwenden. Diese Schaltungsträger werden nicht komplett umhüllt und ragen auf der Oberseite des Moduls als Kontaktfläche zu einem Kühlkörper heraus. Beispiele sind in Datenblättern diverser Hersteller zu sehen. Durch diesen Kunstgriff kann man eine um den Faktor 10 bis 100 höhere thermische Leitfähigkeit erreichen und damit die Halbleiter ausreichend gut thermisch an eine Kühlfläche verbinden. Dabei hat die elektrisch isolierende aber gut thermisch leitfähige keramische Ebene typisch eine Dicke von 1/4mm bis 1mm. Diese Dicke ist erforderlich um die Durchschlagfestigkeit von 1kV bis 5kV, die in den typischen Anwendungen gefordert ist, zu erreichen. In dieser Technik werden bis heute die Mehrzahl der IPMs aufgebaut. Der Aufbau ist recht kompliziert, da das DCB Substrat zusätzlich über ein gelötetes Leadframe elektrisch nach außen geführt wird. Dies wird heute mit DIL Anschlussformen gemacht, wobei das Modul auf einer Leiterkarte durch Wellenlöten auf der Gegenseite der Komponentenbestückungsseite gelötet wird. Um heutzutage eine effektive Fertigungstechnik für die Bestückung zu erreichen sollte jedoch die Aufbautechnik vorzugsweise eine SMD Bestückung zulassen. Beide Probleme werden durch die Erfindung gelöste. The prior art has hitherto been to use an insulating, thermally well-conductive carrier (DCB / IMS substrate) of the circuit instead of the leadframe. These circuit carriers are not completely enveloped and protrude on the top of the module as a contact surface to a heat sink. Examples can be seen in datasheets of various manufacturers. Through this trick you can achieve a factor of 10 to 100 higher thermal conductivity and thus connect the semiconductor sufficiently good thermally to a cooling surface. The electrically insulating but good thermally conductive ceramic layer typically has a thickness of 1 / 4mm to 1mm. This thickness is required to achieve the dielectric strength of 1kV to 5kV required in typical applications. In this technique, the majority of IPMs are still being built. The structure is quite complicated, since the DCB substrate is additionally led electrically outwards via a soldered leadframe. This is done today with DIL terminal forms, where the module is soldered on a circuit board by wave soldering on the opposite side of the component assembly side. In order to achieve an effective production technology for assembly nowadays, however, the construction technique should preferably allow SMD assembly. Both problems are solved by the invention.

Bei den bekannten Anordnungen wird dann der Anschluss der Module auf eine Leiterkarte wieder über einen zusätzlich angebrachten Leadframe erzeugt, was die Material- und Prozesskosten erhöht. In the known arrangements, the connection of the modules to a printed circuit board is then generated again via an additionally attached leadframe, which increases the material and process costs.

Solche Umsetzungen sind in z.B. JP 2007 165426 veröffentlicht. Das thermisch leitfähige isolierende Material wird z.B. als DCB (Direct Copper Bonding) Verfahren durch Aufbringen von Kupferleiterbahnen auf keramischen Materialien (z.B. Aluminiumoxid) hergestellt. Dabei wird die elektrische Leiterbahn in einem thermischen Prozess mit einer thermisch gut leitenden Keramik in einem Sinterprozess verbunden, vgl. Michael Pecht, Handbook of Electronic Package Design, CRC Press, 1991 . Das heißt, der Schaltungsträger wird nicht mehr umhüllt sondern die isolierende Seite bildet die Außenseite des Gehäuses. Such reactions are in eg JP 2007 165426 released. The thermally conductive insulating material is produced, for example, as DCB (Direct Copper Bonding) method by applying copper conductor tracks on ceramic materials (eg alumina). In this case, the electrical conductor is connected in a thermal process with a thermally highly conductive ceramic in a sintering process, see. Michael Pecht, Handbook of Electronic Package Design, CRC Press, 1991 , That is, the circuit carrier is no longer sheathed but the insulating side forms the outside of the housing.

Dieser Stand der Technik ist gegenüber der Erfindung aufwendiger und teurer und erfordert mehr Material. This prior art is more expensive and expensive than the invention and requires more material.

Auf die Figuren wird Bezug genommen. The figures are referred to.

Die Ausführungsformen der Erfindung sind anhand von Beispielen dargestellt und nicht auf eine Weise, in der Beschränkungen aus den Figuren in die Patentansprüche übertragen oder hineingelesen werden. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren geben ähnliche Elemente an. The embodiments of the invention are illustrated by way of example and not in a manner in which limitations of the figures are transferred or read into the claims. Like reference numerals in the figures indicate similar elements.

1 ist eine schematische Schnitt-Ansicht eines Beispiels eines Moldgehäuses für Halbleiter gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung. 1 FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of an example of a semiconductor mold housing according to one or more embodiments of the invention. FIG.

2 zeigt eine Schichtfolge des Gehäuses im Schnitt mit dem metallischen Leadframe 1, den Halbleitern 3, der Löt-, Sinter- oder Klebeschicht 4 zur Verbindung der Halbleiter mit dem strukturierten Leadframe 1 und dem Moldgehäuse 6 an einer nur einseitig aus dem Gehäuse zur Kontaktierung herausragenden Stelle 1a des Leadframes 1 (in einem anderen Beispiel). 2 shows a layer sequence of the housing in section with the metallic leadframe 1 , the semiconductors 3 , the solder, sinter or adhesive layer 4 for connecting the semiconductors to the structured leadframe 1 and the mold housing 6 on an only one side of the housing for contacting outstanding position 1a of the leadframe 1 (in another example).

3 Aufsicht auf ein SMD-fähiges Bauelement als ein IPM des Moldgehäuses 6, wobei eine Polyimidfolie 2 den Körper zusammen mit den Anschlussleads 1a überragt. 3 Top view of an SMD-capable component as an IPM of the mold housing 6 wherein a polyimide film 2 the body together with the connecting leads 1a surmounted.

4 zeigt einen Leadframe 1 mit den typischen Halbleitern 3 für ein IPM-Modul, bevor es in den Moldprozess gelegt wird. 4 shows a leadframe 1 with the typical semiconductors 3 for an IPM module before it is put into the molding process.

Ein Beispiel der Erfindung betrifft ein Moldgehäuse für Halbleiter nach 1, bei dem der Leadframe 1 eines Moldgehäuses 6 mit einem sehr dünnen Isolationsträger als Film 2 aus Polyimid auf dem Leadframe versehen ist, welcher Isolationsträger die Oberfläche des Moldgehäuses darstellt und mit einem Kühlkörper 5 flächig kontaktiert wird. An example of the invention relates to a semiconductor molded case 1 where the leadframe 1 a mold housing 6 with a very thin insulating support as a film 2 made of polyimide on the leadframe, which insulation support is the surface of the mold housing and with a heat sink 5 contacted flat.

Der sehr dünne, mit Kleber, insbes. Epoxidkleber 7 versehene Polyimidfilm 2 kann entweder vorher flächig durch Heißpressen auf den Leadframe 1 aufgebracht sein, oder aber im Moldprozess zusammen mit der Umhüllung 6 der Halbleiter-Bauelemente 3 (und deren leitende Verbindungen 8) unter dem beim Moldprozess vorhandenen Druck und Temperatur gleichzeitig in einem einzigen Prozesschritt verbunden werden. The very thin, with glue, esp. Epoxy glue 7 provided polyimide film 2 can either be previously flat by hot pressing on the leadframe 1 be applied, or in the molding process together with the cladding 6 of the semiconductor devices 3 (and their leading connections 8th ) under the pressure and temperature of the molding process are combined simultaneously in a single process step.

Vorteilhaft ist, dass der Isolationsfilm 2 aus Polyimid mit einer Klebeschicht 7 neben der Aufgabe der Schaffung der Schichtfolge im Moldprozesses auch als Sperrschicht für das Fließen von Moldmaterial unter das Moldgehäuse (Verhindern von flash over) eingesetzt werden kann und damit gleichzeitig die Vorteile von film-assisted Molding, elektrischer Isolation und thermischer Leitung in einem einzigen Prozesschritt ermöglicht. Im Moldprozess kann dabei der Film auch praktisch und preiswert direkt von einer Rolle abgenommen aufgebracht werden. It is advantageous that the insulation film 2 made of polyimide with an adhesive layer 7 In addition to the task of creating the layer sequence in the molding process as a barrier layer for the flow of mold material under the mold housing (preventing flash over) can be used and thus simultaneously the advantages of film-assisted molding, electrical insulation and thermal conduction in a single process step allows , In the molding process, the film can also be applied practically and inexpensively removed directly from a roll.

Die Verbindung des Films 2 mit dem Leadframe erfolgt in diesem Fall gleichzeitig unter Druck und Wärme im geschlossenen Werkzeug. Dabei wird sowohl der Kleber 7 als Verbindung zum Leadframe 1 wie auch zur Moldmasse 6 gemeinschaftlich ausgehärtet. Damit entsteht ein sehr preiswerter Prozess, bei dem in einem Prozesschritt das Gehäuse im RTM-Prozess umhüllt und eine thermisch sehr gut leitfähige Interfaceschicht mit dem Film 2 zu dem Kühlkörper 5 entsteht. The connection of the film 2 In this case, the leadframe is simultaneously under pressure and heat in the closed mold. This is where both the glue 7 as a connection to the leadframe 1 as well as the molding compound 6 cured together. This results in a very cost-effective process in which the housing is encased in the RTM process in one process step and a thermally highly conductive interface layer with the film 2 to the heat sink 5 arises.

Um die elektrische Isolation zum Kühlkörper 5 zu erreichen, wird der Film 2 zudem noch ganzflächig oder zumindest mit Überstand gegenüber dem Moldgehäuse 6 auf den Leadframe 1 aufgebracht um einen nötigen Abstand für das Einhalten von Kriech- und Luftstrecken zu gewährleisten. Dabei kann der Überstand der Polyimidfolie 2 zumindest die Größe der Kriech- und Luftstrecken abdecken. Dies sieht man deutlich in 3 wo die Polyimidfolie 2 den Körper des Moldgehäuses 6 überragt, in den Bereich der Anschlussleads 1a, 1b hinein. Die 3 zeigt ein SMD fähiges Bauelement eines IPM, welches in Flächenmontage automatisiert (in ein Loch) auf einer Leiterkarte eingesetzt wird. To the electrical insulation to the heat sink 5 to reach, the movie becomes 2 also still over the entire surface or at least with overhang relative to the mold housing 6 on the leadframe 1 applied to ensure a necessary distance for the maintenance of creepage distances and clearances. In this case, the supernatant of the polyimide film 2 cover at least the size of the creepage distances and clearances. You can see this clearly in 3 where the polyimide film 2 the body of the mold housing 6 surmounted in the field of connecting leads 1a . 1b into it. The 3 shows an SMD capable component of an IPM, which is used in surface mounting automated (in a hole) on a printed circuit board.

Die Kontaktierung der Halbleiter 3 auf dem Leadframe 1 erfolgt in den MCM (Multichip-Modul) standardisierten Prozessen. Die Kontaktierung zu einer Leiterkarte erfolgt durch Löten, Kleben, Sintern auf der dem Film 2 gegenüberliegenden Seite. Dabei wird man vorzugsweise das Gehäuse in einer SMD-Gehäusen ähnlichen Form aufbauen. Treiber sind nicht dargestellt, können für die Leistungshalbleiter 3 aber vorgesehen sein. The contacting of the semiconductors 3 on the leadframe 1 takes place in the MCM (multichip module) standardized processes. The contacting to a printed circuit board takes place by soldering, gluing, sintering on the film 2 opposite side. In this case, it will be preferable to build the housing in a SMD housings similar shape. Drivers are not shown, can for the power semiconductors 3 but be provided.

Unterschiedlich zu einem SO-Gehäuse ist ausschließlich, dass die Leads 1a des freigestanzten Leadframes invers zu einem normalen SO-Gehäuse gebogen werden. Damit sind die Bauelemente nicht mehr auf dem Leadframe, sondern hängen quasi von der Oberfläche des Gehäuses nach unten wie in 1 zu erkennen ist. Der Kühlkörper 5 ist flächig und kraftschlüssig mit dem Bauelement über die Polyimidfolie 2 verbunden. Unlike a SO case is exclusive that leads 1a of the punched leadframe are inversely bent to a normal SO housing. Thus, the components are no longer on the leadframe, but hang down from the surface of the housing down as in 1 can be seen. The heat sink 5 is flat and non-positive with the device via the polyimide film 2 connected.

2 zeigt die Schichtfolge des Gehäuses mit dem metallischen Leadframe 1, den Halbleitern 3, einer Löt-, Sinter- oder Klebeschicht 4 zur Verbindung des Halbleiters mit dem Leadframe 1, Bondverbindungen 8 aus Aluminium, Kupfer, Gold zwischen einem Halbleiter 3 und dem Leadframe 1, das durch die Moldmasse 6 gebildetes Gehäuse, der isolierenden dünnen Polyimidfolie 2 die mit einer sehr dünnen Klebeschicht 7 bevorzugt aus einem thermisch aushärtenden Epoxidkleber beschichtet ist. 2 shows the sequence of layers of the housing with the metallic leadframe 1 , the semiconductors 3 , a solder, sinter or adhesive layer 4 for connecting the semiconductor to the leadframe 1 , Bonds 8th made of aluminum, copper, gold between a semiconductor 3 and the leadframe 1 that through the molding compound 6 formed housing, the insulating thin polyimide film 2 the one with a very thin adhesive layer 7 is preferably coated from a thermosetting epoxy adhesive.

Wesentliche Vorteile der Anordnung und des Fertigungsverfahrens sind, dass sie sehr preiswert sind, weil weniger Materialeinsatz und weniger Prozessschritte benötigt werden. The main advantages of the arrangement and the manufacturing process are that they are very inexpensive, because less material and fewer process steps are needed.

Das Verfahren lässt sich sehr einfach in Standard-Moldmaschinen integrieren, da nur ein zusätzlicher Film 2 (als abwickelbare Folie), der im Moldprozess durch den dort wirkenden hohen Druck von 10 oder 30 bis 80hPa bei Temperaturen zwischen 140°C und ca. 180°C, bevorzugt 150°C bis 170°C, voidfrei (keine Luftblasen) mit dem Leadframe 1 verbunden wird, verwendet wird. The process is very easy to integrate in standard molding machines, as only one additional film 2 (as developable film), in the molding process by the high pressure of 10 or 30 to 80 hPa at temperatures between 140 ° C and about 180 ° C, preferably 150 ° C to 170 ° C, void-free (no air bubbles) with the leadframe 1 connected is used.

Durch die flächige Abdeckung des Leadframe 1 kann man zudem die Werkzeuge einfacher gestalten, da durch den Film 2 verhindert wird, dass Moldmaterial, welches im Moldprozess sehr niedrige Viskosität hat, den Leadframe 1 umfließt (Flash-Over wird vermieden). Due to the flat cover of the leadframe 1 You can also make the tools easier because of the film 2 Prevents mold material, which has very low viscosity in the molding process, the lead frame 1 flows around (flash-over is avoided).

Alle weiteren Prozesse wie das Freistanzen des Leadframe 1 und das Formen der Leads 1a erfolgt prozesstechnisch wie bei einem Standard SMD-Gehäuse. All other processes such as the free-punching of the leadframe 1 and shaping the leads 1a Process-related as with a standard SMD housing.

Damit wird es möglich IPMs im Kostenrahmen von MCM Gehäusen zu erstellen wobei sowohl eine elektrische Isolation zu einem Kühlkörper 5 wie auch ein geringer thermischer Gesamtwiderstand zwischen dem zu kühlenden mindestens einem Halbleiterbauelement 3 und dem Kühlkörper 5 erreichet wird. This makes it possible to create IPMs in the cost range of MCM enclosures with both an electrical insulation to a heat sink 5 as well as a low total thermal resistance between the at least one semiconductor device to be cooled 3 and the heat sink 5 is reached.

Die Polyimid-Schicht 2 wird typisch eine Schichtdicke von 5µm oder 25µm bis 50µm aufweisen, um eine ausreichende elektrische Isolationsfestigkeit zum Kühlkörper 5 zu erhalten und gleichzeitig eine hohe Wärmeleitfähigkeit vom Leadframe 1 zum Kühlkörper 5 zu erreichen. The polyimide layer 2 will typically have a layer thickness of 5μm or 25μm to 50μm to provide sufficient electrical insulation strength to the heat sink 5 while maintaining a high thermal conductivity of the leadframe 1 to the heat sink 5 to reach.

Die Schichtdicke des Epoxidklebers 7 wird auf die für den Erhalt einer Klebewirkung minimal mögliche Dicke von typisch zwischen 1µm und 20µm herab gesetzt. The layer thickness of the epoxy adhesive 7 is set to the minimum possible for obtaining an adhesive effect thickness of typically between 1 micron and 20 microns.

Um die thermische Kontaktierung des Kühlkörpers 5 weiter zu optimieren, kann zusätzlich eine weitere, nicht im Moldprozess aushärtende, sondern dauerhaft elastisch bleibende Klebeschicht (ohne Abbildung) auf der gegenüberliegenden Seite (i.e. auf der Seite des Kühlkörpers 5) aufgebracht werden, die mit einer Schutzschicht zum Ablösen versehen ist. Aufgabe dieser Schicht ist es, die Oberflächen-Rauigkeit und Unebenheiten auszugleichen, da Lufteinschlüsse den Wärmeübergang erheblich behindern können. Als Kleber für diese Klebeschicht eignen sich typisch Siliconkleber oder Acrylatkleber. To the thermal contact of the heat sink 5 To further optimize, in addition to another, not curing in the molding process, but permanently elastic adhesive layer remaining (not shown) on the opposite side (ie on the side of the heat sink 5 ), which is provided with a protective layer for detachment. The task of this layer is to compensate for the surface roughness and unevenness, since air pockets can considerably hinder the heat transfer. As adhesive for this adhesive layer are typically silicone adhesive or acrylate adhesive.

4 zeigt einen strukturierten Leadframe 1 mit typischen Halbleitern 3 für ein IPM Modul, bevor es in den Moldprozess gelegt wird. 7 ist die 5µ bis 50µm Klebeschicht, deren Erstreckung mit der isolierenden Schicht 2 im Wesentlichen übereinstimmt. 4 shows a structured leadframe 1 with typical semiconductors 3 for an IPM module before it is put into the molding process. 7 is the 5μ to 50μm adhesive layer, whose extension with the insulating layer 2 essentially coincides.

Eine Anwendung ist eine mit Leistungs-Halbleitern bestückte mehrphasige Brücke. Jedem Halbleiter ist eine Treiberschaltung zugeordnet. Die Brücke bildet ein intelligentes Power-Modul für z. B. die Antriebstechnik. One application is a multi-phase bridge populated with power semiconductors. Each semiconductor is assigned a driver circuit. The bridge forms an intelligent power module for z. B. the drive technology.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2008090734 A1 [0002]
JP 2009123953 A [0002]
DE 102009014794 B3 [0002]
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WO 2013/061183 [0017]
JP 2007165426 [0020]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

http://www.fairchildsemi.com/product-technology/spm/ [0003]
IEC 60243-1 [0015]
Michael Pecht, Handbook of Electronic Package Design, CRC Press, 1991 [0020]

Claims

Semiconductor package of a structured metallic leadframe ( 1 ), at least one semiconductor ( 3 ), which is flat on the leadframe ( 1 ) and is connected to it electrically and thermally, as well as other compounds ( 8th ) on top of the semiconductor to the leadframe or other semiconductors ( 3 ) on the leadframe and a 5μ to 50μ thick polyimide film ( 2 ), which with an epoxy adhesive ( 7 ) is coated with a layer thickness of less than 20 μm and above this with the leadframe ( 1 ) on the at least one semiconductor component ( 3 ) opposite side is glued surface and forms by injection of molding material, a housing in which the polyimide film ( 2 ) does not remain overmolded on the surface and over the surface of the resulting housing body ( 6 ) ( 1a . 1b ).

Semiconductor package according to claim 1, wherein the polyimide film ( 2 ) in the molding process under a pressure greater 10 hPa and at a temperature between 140 ° C and 180 ° C with the leadframe ( 1 ) and the molding compound ( 6 ) is connected in the same process step.

Semiconductor package according to claim 1, or another of the preceding claims, wherein the lead frame ( 1 ) connected polyimide film ( 2 ) by a measure - at least the creepage distance - about the surface of the molded body ( 6 protrudes).

Semiconductor package according to claim 1, or another of the preceding claims, wherein leads ( 1a . 1b ) in the direction of a component side of the leadframe ( 1 ) are bent and form a SO-housing-shaped connection diagram as an SMD component.

A semiconductor package according to claim 1 or any one of the preceding claims, wherein a plurality of power resistors ( 3 ) and drivers for the power semiconductors on the leadframe ( 1 ) as a multi-phase bridge form an "intelligent" power module.

Semiconductor package according to claim 1, or another of the preceding claims, wherein the molding compound ( 6 ) is clear and the semiconductor devices ( 3 ) have one or more LEDs.

Semiconductor package according to claim 1, or another of the preceding claims, wherein the leadframe ( 1 ) before the mellow with the polyimide film ( 2 ) is glued ( 7 ) to produce metallic islands that can not be formed by a leadframe.

Semiconductor package according to claim 1, or another of the preceding claims, wherein the injection of molding compound takes place in an RTM process.

A semiconductor device with a semiconductor package according to any one of the preceding claims, wherein the polyimide film ( 2 ) or the polyimide layer is provided with a thermal conductance greater than the conductance of polyimide by addition of non-conductive material additives.

Method for producing a semiconductor package, wherein the semiconductor package comprises a metallic leadframe ( 1 ), at least one semiconductor ( 3 ), which rests flat on the leadframe, is electrically and thermally connected; Application of a 5μ to 50μ thick film ( 2 ) with an adhesive ( 7 ) is coated to a layer thickness less than 20 microns and above with the lead frame ( 1 ) on the component ( 3 ) opposite side is glued surface; Injection of molding material to form a housing body ( 6 ), in which the film ( 2 ) does not remain overmolded on the surface and over the surface of the housing body ( 6 protrudes).

The method of claim 10, wherein the adhesive ( 7 ) is an epoxy adhesive or procedurally such is used as an adhesive.

A method according to claim 10 or 11, wherein as film ( 2 ) a polyimide film is used.

A method according to claim 10, 11 or 12, wherein the injection of molding compound ( 6 ) in an RTM process.

Method according to claim 10 with one of the method features of at least one of claims 1 to 9.

Method according to one of the preceding method claims, wherein further compounds ( 8th ) on an upper side of the semiconductor ( 3 ) to the leadframe ( 1 ) or other semiconductors on the leadframe.