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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Baugruppe mit verbessertem Thermo-Management durch lokal angepasste, verbesserte thermo-mechanische Stabilität.
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Elektronische Baugruppen sind aus dem Stand der Technik bekannt, wobei speziell in Niedervolt-Anwendungen Leistungshalbleiter direkt auf Substrate, insbesondere Leadframes, gelötet werden. Derartige elektronische Bauteile weisen gute thermische Eigenschaften auf, da Wärme vom Leistungshalbleiter direkt auf das Leadframe übertragen werden kann und das Leadframe die Wärme dann schnell vom Leistungshalbleiter fortleitet. Ein großer Nachteil dieser direkt kontaktierten elektronischen Bauteile resultiert jedoch aus den großen Unterschieden zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Leistungshalbleiters und des Leadframes, üblicherweise ein Metallblech. Hieraus können thermo-mechanische Spannungen zwischen Leadframe und Leistungshalbleiter resultieren, was im Extremfall zu einer Zerstörung des Bauteils führt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die elektronische Baugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass zwischen einem Leadframe und einem Halbleiterbauelement stark reduzierte, thermisch basierte Spannungen möglich sind, so dass eine Lebensdauer der elektronischen Baugruppe signifikant verlängert werden kann. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße elektronische Baugruppe trotzdem sehr kostengünstig und in Serienfertigung hergestellt werden. Insbesondere kann im Vergleich mit einer Direktbestückung des Leadframes mit Halbleiterbauelementen nur eine minimale Kostensteigerung auftreten, da erfindungsgemäß ein elektrisch leitendes Verbindungselement nur lokal im Bereich des Halbleiterbauelements vorgesehen ist. Das elektrisch leitende Verbindungselement ist dabei aus einem Verbundmaterial hergestellt, wobei eine lötbare Metallisierung auf einer zum Halbleiterbauelement gerichteten Oberfläche vorgesehen ist. Somit wird erfindungsgemäß das Verbindungselement für die Wärmeübertragung von dem Halbleiterbauelement auf das Leadframe zwischengeschaltet. Eine Wärmeleitfähigkeit des Verbindungselements liegt dabei zwischen der des Halbleiterbauelements und der des Leadframes. Ferner wird es erfindungsgemäß möglich, die elektronische Baugruppe nicht nur bei Niedervolt-Anwendungen, sondern auch bei Hochleistungs-Anwendungen einzusetzen, bei denen das Halbleiterbauelement viel Wärme erzeugt. Erfindungsgemäß kann somit immer noch ein einfach und kostengünstig herstellbares Leadframe verwendet werden, wobei das Verbindungselement aus einem Verbundmaterial einen großen Variationsspielraum hinsichtlich der Zusammensetzung, der Schichtdicke usw., ermöglicht.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise ist eine Fläche des lokal vorgesehenen Verbindungselements maximal doppelt so groß wie eine Fläche des Halbleiterbauelements. Hierdurch kann einerseits eine gute Wärmeableitung vom Halbleiterbauelement ermöglicht werden und andererseits bleiben die Kosten zur Herstellung des Verbindungselements und der für das Verbindungselement notwendige Platzbedarf im Rahmen. Besonders bevorzugt ist dabei eine Fläche des Verbindungselements gleich groß wie eine Fläche des Halbleiterbauelements, um eine Wärmeableitung von einer gesamten Unterfläche des Halbleiterbauelements sicherzustellen.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Leadframe vorzugsweise eine Ausstanzung auf, in welcher das Verbindungselement angeordnet ist. Die Ausstanzung ist dabei an einer Position vorgesehen, an welcher in der später fertiggestellten elektronischen Baugruppe ein Halbleiterbauelement angeordnet ist. Die Ausstanzung wird gleichzeitig mit der Herstellung des Leadframes erzeugt und verursacht somit keinerlei Zusatzkosten. Ferner definiert die Ausstanzung die Position des Verbindungselements, so dass dieses schnell und einfach in dem Leadframe angeordnet werden kann. Weiter steht das Verbindungselement dadurch nicht oder nur in geringem Umfang von einer Oberfläche des Leadframes vor, so dass eine kompakte elektronische Baugruppe möglich ist.
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Eine Dicke des Verbindungselements ist vorzugsweise gleich einer Dicke des Leadframes. Somit ersetzt das Verbindungselement das ausgestanzte Material aus dem Leadframe, ohne dass ein Halbleiterbauelement dadurch übermäßig erhöht zu einer Oberfläche des Leadframes angeordnet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Leadframe eine vertiefte Einprägung auf, wobei das Verbundelement in der Einprägung angeordnet ist. Somit wird eine Einprägung vorgesehen, was die Herstellungskosten des Leadframes ebenfalls nicht signifikant vergrößert, da die Vertiefung gleichzeitig mit dem Leadframe hergestellt wird. Die Einprägung dient dann als Tasche zur Aufnahme des Verbindungselements, wodurch ebenfalls eine überhöhte Anordnung des auf dem Verbindungselement angeordneten Halbleiterbauelements vermieden wird.
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Besonders bevorzugt ist eine Oberfläche des Leadframes bündig mit einer Oberfläche des Verbindungselements.
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Besonders bevorzugt wird das Verbindungselement als vorbereitetes Bauteil vorgesehen, so dass das Verbindungselement lediglich noch am Leadframe angeordnet werden muss.
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Für eine besonders schnelle und kostengünstige Herstellbarkeit ist zwischen dem Verbindungselement und dem Leadframe eine Presspassung vorgesehen. Die Presspassung kann dabei sowohl an der Ausstanzung als auch an der Einprägung vorgesehen werden. Alternativ oder zusätzlich ist zwischen dem Verbindungselement und dem Leadframe eine stoffschlüssige Verbindung vorgesehen. Besonders bevorzugt wird die stoffschlüssige Verbindung mittels eines Galvanikprozesses hergestellt. Hierbei ist das Verbindungselement als galvanische Dispersionsschicht im lokal begrenzten Bereich vorgesehen. Hierzu werden Fremdpartikel in einem Galvanikbad eingebracht, welche dann während des Galvanikprozesses in die wachsende Schicht eingebaut werden. Besonders bevorzugt werden dabei sehr grobe Partikel in die Aussparung bzw. in die Vertiefung eingelegt und eine metallische Schicht wächst um diese Partikel herum, bis das Verbindungselement hergestellt ist.
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Besonders bevorzugt weist das Verbindungselement als Verbundmaterial einen Kupfer-Molybdän-Verbund oder einen Kupfer-Graphit-Verbund auf.
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Besonders bevorzugt weist das Verbindungselement einen. Wärmeleitkoeffizienten im Bereich von 100 bis 900 W/mk auf.
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Das Halbleiterbauelement ist vorzugsweise ein FET, insbesondere eine MOSFET, oder ein IGBT.
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Die erfindungsgemäße elektronische Baugruppe wird besonders bevorzugt in Fahrzeugen als Leistungsmodul eingesetzt. Hierbei kann die erfindungsgemäße elektronische Baugruppe im Antriebsbereich und/oder im Energiemanagement, insbesondere auch bei Hybridfahrzeugen, Brennstoffzellenfahrzeugen und Elektrofahrzeugen verwendet werden. Auch im Bereich von regenerativer Energie, beispielsweise bei Photovoltaikinvertern, kann die erfindungsgemäße elektronische Baugruppe verwendet werden.
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Zeichnung
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische, perspektivische Ansicht eines Leadframes für eine erfindungsgemäße elektronische Baugruppe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 eine perspektivische Darstellung des Leadframes von 1, welche den Montagevorgang eines Verbindungselements verdeutlicht,
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3 eine perspektivische Darstellung des Leadframes von 1 mit abschließend montiertem Halbleiterbauelement,
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4 eine schematische Schnittansicht durch die elektronische Baugruppe von 3,
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5 eine schematische, perspektivische Darstellung einer elektronischen Baugruppe gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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6 eine vergrößerte Darstellung von 5,
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7 eine schematische Schnittansicht durch die elektronische Baugruppe des zweiten Ausführungsbeispiels,
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8 eine Vergrößerung der Schnittfläche des Verbindungselements, und
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9 und 10 zwei Beispiele zur Herstellung des Verbindungselements.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 eine elektronische Baugruppe 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie insbesondere aus 4 ersichtlich ist, umfasst die elektronische Baugruppe 1 ein Leadframe 2 aus Kupfer, ein Halbleiterbauelement 3 und ein Verbindungselement 4. Wie in 1 ersichtlich, ist im Leadframe 2 eine zusätzliche Aussparung 20 vorgesehen, welche gleichzeitig mit der Herstellung des Leadframes ausgestanzt wurde. Das Verbundelement 4, welches im Voraus als vorgefertigtes Bauteil bereitgestellt wurde, weist Abmessungen derart auf, dass es mittels einer Pressverbindung 7 in die Aussparung 20 eingesetzt werden kann (vgl. 2). Das Verbundelement 4 ist dabei aus einem Kupfer-Graphit-Verbundmaterial 5 hergestellt. An einer zum Halbleiterbauelement 3 gerichteten Seite weist das Verbundmaterial 5 eine lötbare Metallisierung 6, d. h., eine dünne Metallschicht, auf. Dadurch kann das Halbleiterbauelement 3 auf das Verbindungselement 4 gelötet werden.
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Eine Fläche des Verbindungselements 4 entspricht dabei genau einer Fläche des Halbleiterbauelements 3. Weiterhin ist eine Dicke D1 des Verbindungselements 4 gleich einer Dicke D2 des Leadframes 2. Dadurch wird verhindert, dass aufgrund der Verwendung des Verbindungselements 4 das Halbleiterbauelement 3 zu weit nach außen vorsteht. Das Verbindungselement 4 kann so als vorgefertigtes Bauteil mit entsprechenden Abmessungen bereitgestellt werden und schnell und einfach in die Aussparung 20 eingepresst werden. Anschließend wird das Halbleiterbauelement 3 mittels eines Lötprozesses auf die Metallisierung 6 am Verbindungselement 4 aufgebracht. Abschließend kann das so vorgefertigte Verbindungselement im Leadframe montiert werden.
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Die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Verbindungselements 4, des Halbleiterbauteils 3 und des Leadframes 2 sind so aufeinander angepasst, dass ein großer Wertesprung benachbarter Wärmeausdehnungskoeffizienten vermieden wird. Beispielsweise weist das Verbindungselement 4 dabei eine Wärmeleitfähigkeit auf, welche größer ist als eine Wärmeleitfähigkeit des Halbleiterbauelements 3, welche jedoch kleiner ist als eine Wärmeleitfähigkeit des Leadframes 2. Hierdurch kann trotzdem eine gute Wärmeableitung vom Halbleiterbauelement 3 sichergestellt werden, ohne dass es zu großen Thermospannungen zwischen dem Halbleiterbauelement 3 und dem Leadframe 2 kommt. Das Verbindungselement 4 vermeidet somit zu große thermische Spannungen zwischen Leadframe 2 und Halbleiterbauelement 3. Trotzdem kann erfindungsgemäß ein einfacher Stanzgitteraufbau durch Verwendung des Leadframes beibehalten werden, wobei lediglich lokal eine Anpassung an thermisch besonders belasteten Bereichen an den Halbleiterbauelementen ermöglicht wird. Durch die nur lokale Anpassung wird ferner auch eine Kostenminimierung des relativ teuren Verbundmaterials des Verbindungselements erreicht. Weiterhin kann erfindungsgemäß durch Änderung der Zusammensetzung der Materialien des Verbundmaterials 5 eine spezielle Anpassung an individuelle Gegebenheiten ermöglicht werden. Beispielsweise kann eine Mischung eines Metalls mit einem Keramik als Verbundmaterial 5 je nach gewünschten Eigenschaften hinsichtlich verbesserter Wärmeleitfähigkeit oder elektrischer Leitfähigkeit ermöglicht werden. Die elektronische Baugruppe kann auch derart hergestellt werden, dass kein direkter Kontakt zwischen Leadframe 2 und Halbleiterbauelement 3 vorhanden ist, sondern ein Kontakt nur über das Verbindungselement 4 erfolgt.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 5 bis 10 eine elektronische Baugruppe 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
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Wie insbesondere aus 7 ersichtlich ist, weist das Leadframe im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel statt einer Ausstanzung eine Einprägung 21 auf. Die Einprägung 21 wird vorzugsweise gleichzeitig mit dem sonst notwendigen Schritt des Ausstanzens des Leadframes 2 hergestellt. Ein konischer Rand der Einprägung 21 ist mit dem Bezugszeichen 8 gekennzeichnet. Hierdurch entstehen durch diesen Schritt ebenfalls keine weiteren Zusatzkosten. Die Einprägung 21 ist dabei vollständig mit dem Verbundmaterial 5 des Verbindungselements 4 gefüllt. Eine Dicke D3 des Verbundmaterials 5 entspricht dabei einer Tiefe der Einprägung 21 von einer Oberfläche des Leadframes 2. Hierdurch ist die Oberfläche des Leadframes 2 bündig zur Oberfläche des Verbindungselements. Die Dicke der Metallisierung 6 ist in 7 übertrieben dargestellt und kann bei der Betrachtung der Dicke vernachlässigt werden.
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8 zeigt einen Schritt durch das Verbundmaterial 5, welches aus zwei Materialien, nämlich einem pulverförmigen ersten Material 51 wie z. B. Graphit, und einem Metallmaterial 52, welches die Zwischenräume zwischen dem körnigen Material 51 einnimmt, hergestellt ist.
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Die Einprägungen 21 sind wiederum an den Positionen ausgebildet, an denen später die Halbleiterbauelemente 3 angeordnet werden. Vor der Montage des Halbleiterbauelements 3 wird jedoch noch eine Metallisierung 6 vorgesehen. Da die Metallisierung 6 sehr dünn ist, kann diese hinsichtlich eines Höhenaufbaues der Baugruppe außer Betracht bleiben. Die Metallisierung 6 ist jedoch nur in dem Bereich an dem Verbindungselement 4 gebildet, an welchem nachher das Halbleiterbauelement 3 angelötet wird.
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Die 9 und 10 zeigen zwei Ausführungsbeispiele von Herstellungsverfahren zur Herstellung des Leadframes 2 mit Verbundmaterial 5. Hierbei wird das Verbundmaterial 5 als galvanische Dispersionsschicht in der Einprägung 21 generiert. Hierbei werden vorteilhaft grobe Partikel 51 verwendet, welche dann, Schwerkraft unterstützt, in den Einprägungen 21 angeordnet werden können. Nach Anlegen einer Spannung scheiden sich, wie aus 9 ersichtlich ist, metallische Fremdpartikel 52 in der Einprägung 21 ab, so dass eine metallische Schicht um die im Vorhinein eingelegten großen Partikel herum wächst. Als Partikel eignen sich beispielsweise keramische oder intermetallische Partikel. In 9 sind die metallischen Fremdpartikel in einem Behältnis 30 um. eine Elektrode herum in einem Elektrolyt angeordnet. In 10 sind die metallischen Fremdpartikel 52 in einer Dispersion vorhanden.
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Somit kann auch beim zweiten Ausführungsbeispiel lokal ein Verbindungselement 4 aus einem Verbundmaterial 5 mit darauf angeordneter Metallisierung 6 vorgesehen werden. Die Verwendung der Einprägung 21 bietet insbesondere auch hinsichtlich späterer Isolation weitere Vorteile, da dadurch die zu isolierende Fläche reduziert wird.
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Es sei angemerkt, dass es erfindungsgemäß auch möglich ist, dass ein Verbindungselement 4 lediglich lokal auf eine Oberfläche eines Leadframes 2 aufgebracht wird. Dies kann jedoch häufig zu Positionierungsungenauigkeiten führen, so dass die in den beiden Ausführungsbeispielen beschriebenen Varianten mit einer Ausstanzung 20 oder einer Einprägung 21 bevorzugt sind. Es sei angemerkt, dass es selbstverständlich auch möglich ist, dass sowohl eine Ausstanzung als auch eine Einprägung 21 im Leadframe gemeinsam für zwei verschiedene Bauteile vorgesehen wird.
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Alternativ ist es auch möglich, dass das erfindungsgemäße Verbundmaterial derart hergestellt wird, indem es großflächig auf einer Basis abgeschieden wird und dann entsprechend der jeweils gewünschten Größe vereinzelt wird und anschließend, wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, in entsprechend gebildete Ausstanzungen eingesetzt werden.