DE102023203781A1

DE102023203781A1 - Halbleitereinrichtung, Halbleitervorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Halbleitereinrichtung

Info

Publication number: DE102023203781A1
Application number: DE102023203781.5A
Authority: DE
Inventors: Florian Wilhelmi
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2023-04-25
Filing date: 2023-04-25
Publication date: 2024-10-31

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitereinrichtung (200), umfassend eine Diodeneinheit (100), die auf der Basis von Galliumoxid ausgeführt ist und eine Anodenseite und eine der Anodenseite gegenüberliegende Kathodenseite aufweist, und eine Anschlusseinheit (210) zum elektrisch leitfähigen Montieren der Halbleitereinrichtung (200) an einer Leiterplatte. Die Anschlusseinheit (210) umfasst eine Grundplatte (212) und mindestens zwei Anschlüsse (P1, P2, P3) zum Einstecken in Kontaktlöcher der Leiterplatte. Einer der Anschlüsse (P1, P2, P3) ist einstückig mit der Grundplatte (212) ausgeformt und mindestens ein weiterer der Anschlüsse (P1, P2, P3) ist elektrisch von der Grundplatte (212) isoliert. Die Diodeneinheit (100) ist an der Grundplatte (212) der Anschlusseinheit (210) angeordnet, wobei die Anodenseite der Diodeneinheit (100) der Grundplatte (212) zugewandt angeordnet und elektrisch mit der Grundplatte (212) verbunden ist. Die Kathodenseite der Diodeneinheit (100) ist von der Grundplatte (212) abgewandt angeordnet und elektrisch an einen elektrisch von der Grundplatte (212) isolierten Anschluss der Anschlüsse (P1, P2, P3) angeschlossen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitereinrichtung, auf eine Halbleitervorrichtung und auf ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitereinrichtung.
Leistungsbauelemente auf Basis des Halbleiters Galliumoxid können eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Deshalb ist es eine Bestrebung, Galliumoxid-Bauelemente wie beispielsweise Dioden von der Anodenseite her und nicht wie üblicherweise besonders bei dem sogenannten TO247-Gehäuse von der Kathodenseite her zu kühlen, um die Wärme wirksam abzuführen und die Leistung und Strombelastbarkeit des Bauelements zu erhöhen.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Halbleitereinrichtung, eine verbesserte Halbleitervorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Halbleitereinrichtung gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Gemäß Ausführungsformen kann insbesondere eine Halbleitereinrichtung mit einer Leistungsdiode auf Basis des Halbleiters Galliumoxid bereitgestellt werden, wobei das Galliumoxid-Bauelement von der Anodenseite her gekühlt werden kann. So kann die Wärme wirksam von der Diode abgeführt werden. Somit können insbesondere die hervorragenden elektrischen Eigenschaften einer als Galliumoxid-Bauelement ausgeführten Diode zuverlässig genutzt werden, wie beispielsweise hohe Leistung und Strombelastbarkeit. Ferner kann beispielsweise eine Anschlusskonfiguration der Halbleitereinrichtung derart modifiziert sein, dass eine herkömmliche Montage der Halbleitereinrichtung an einer Leiterplatte einer Halbleitervorrichtung, ohne dass ein Schaltungslayout der Leiterplatte geändert werden müsste. Auch können Standardherstellungsverfahren zum Herstellen der Halbleitereinrichtung in Massenfertigung genutzt werden. Die Verwendung von sogenannten Wide-Bandgap-Materialien bzw. Materialien mit breitem Bandabstand, wie beispielsweise Galliumoxid, bietet gegenüber Halbleitern mit schmaleren Bandabständen verschiedene Vorteile, wie beispielsweise geringere Verluste bei Schaltreglern, Verarbeitung höherer Spannungen, Verarbeitung höherer Frequenzen und größere Zuverlässigkeit.
Es wird eine Halbleitereinrichtung vorgestellt, die folgende Merkmale aufweist:

eine Diodeneinheit, die auf der Basis von Galliumoxid ausgeführt ist, wobei die Diodeneinheit eine Anodenseite und eine der Anodenseite gegenüberliegende Kathodenseite aufweist; und
eine Anschlusseinheit zum elektrisch leitfähigen Montieren der Halbleitereinrichtung an einer Leiterplatte, wobei die Anschlusseinheit eine Grundplatte und mindestens zwei Anschlüsse zum Einstecken in Kontaktlöcher der Leiterplatte aufweist, wobei einer der Anschlüsse einstückig mit der Grundplatte ausgeformt ist und mindestens ein weiterer der Anschlüsse elektrisch von der Grundplatte isoliert ist,
wobei die Diodeneinheit an der Grundplatte der Anschlusseinheit angeordnet ist, wobei die Anodenseite der Diodeneinheit der Grundplatte zugewandt angeordnet und elektrisch mit der Grundplatte verbunden ist, wobei die Kathodenseite der Diodeneinheit von der Grundplatte abgewandt angeordnet und elektrisch an einen elektrisch von der Grundplatte isolierten Anschluss der Anschlüsse angeschlossen ist.

Die Halbleitereinrichtung kann insbesondere als ein TO247-Gehäuse oder TO247-Package oder als eine ähnliche Halbleitereinrichtung ausgeführt sein. Die Diodeneinheit kann als ein Leistungsbauelement ausgeführt sein. Die Anschlusseinheit kann auch als ein Gehäuserahmen oder sogenannter Leadframe bezeichnet werden. Die Anschlusseinheit kann aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgeformt sein, wie beispielsweise aus Kupfer. Das Material der Anschlusseinheit, insbesondere der Grundplatte, kann thermisch leitfähig sein. Die Anschlüsse können als Anschlussstifte, sogenannte Leads oder Pins oder dergleichen ausgeformt sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Diodeneinheit als ein Chip ausgeführt sein. Dabei kann die Diodeneinheit mittels Flip-Chip-Montage an der Grundplatte angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Diodeneinheit durch Löten und zusätzlich oder alternativ Sintern an der Grundplatte angeordnet sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine zuverlässige Wärmeabfuhr von der Galliumoxid-Diodeneinheit ermöglicht werden kann.
Insbesondere kann die Kathodenseite der Diodeneinheit mittels mindestens eines Bonddrahtes elektrisch an den einen elektrisch von der Grundplatte isolierten Anschluss der Anschlüsse angeschlossen sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die elektrische Kontaktierung der Diodeneinheit auf einfache Weise mittels Standardprozessen erreicht werden kann, wobei die modifizierte Anschlusskonfiguration der Anschlusseinheit flexibel berücksichtigt werden kann.
Auch kann die Diodeneinheit thermisch mit der Grundplatte gekoppelt sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine wirksame Wärmeabfuhr von der Diodeneinheit als Leistungsbauelement der Halbleitereinrichtung gestaltet werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Anschlusseinheit einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und einen dritten Anschluss aufweisen. Hierbei kann der zweite Anschluss zwischen dem ersten und dem dritten Anschluss angeordnet. Der erste Anschluss und der zweite Anschluss können elektrisch von der Grundplatte der Anschlusseinheit isoliert sein. Der dritte Anschluss kann einstückig mit der Grundplatte ausgeformt sein. Die Kathodenseite der Diodeneinheit kann elektrisch an den zweiten Anschluss angeschlossen sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass durch diese modifizierte Anschlusskonfiguration der Halbleitereinrichtung eine häufige Variante insbesondere eines TO247-Package genutzt werden kann, ohne dass ein Schaltungslayout einer Leiterplatte, in welche die Halbleitereinrichtung eingesteckt werden soll, aufgrund der im Vergleich zur herkömmlichen Anordnung der Diodeneinheit umgekehrten Anordnung geändert werden müsste.
Ferner kann die Halbleitereinrichtung ein Gehäuse aufweisen. Hierbei kann die Halbleitereinrichtung zumindest teilweise von dem Gehäuse umschlossen sein. Der mindestens eine von der Grundplatte elektrisch isolierte Anschluss kann durch das Gehäuse fixiert sein. Das Gehäuse kann beispielsweise aus Vergussmasse ausgeformt sein. Das Gehäuse kann als ein elektrischer Isolator fungieren. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Halbleitereinrichtung als eine robuste, diskrete Einheit bereitgestellt werden kann.
Zudem kann die Halbleitereinrichtung ein Wärmeabfuhrelement zum Abführen von Wärme von der Halbleitereinrichtung, insbesondere von der Diodeneinheit, aufweisen. Hierbei kann die Grundplatte der Anschlusseinheit zwischen dem Wärmeabfuhrelement und der Anodenseite der Diodeneinheit angeordnet sein. Insbesondere kann das Wärmeabfuhrelement an der Grundplatte der Anschlusseinheit oder an einem Gehäuse der Halbleitereinrichtung angebracht sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine besonders wirksame Wärmeabfuhr für die Halbleitereinrichtung realisiert werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Halbleitereinrichtung einen Abstandhalter aufweisen, der zwischen der Anodenseite der Diodeneinheit und der Grundplatte angeordnet ist oder durch Löten, Sintern oder Schweißen zwischen der Anodenseite der Diodeneinheit und der Grundplatte angeordnet ist. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ein Abstand zwischen der Diodeneinheit und der Grundplatte erhöht werden kann, um die Montage zu erleichtern oder potentielle Einflüsse durch elektrische Felder zwischen der Diodeneinheit und der Grundplatte zu verringern.
Zusätzlich oder alternativ kann die Grundplatte der Anschlusseinheit, insbesondere durch mechanische Verfahren oder Laserätzverfahren, um die Diodeneinheit herum strukturiert sein und zusätzlich oder alternativ einen sich um die Diodeneinheit herum erstreckenden Graben aufweisen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass der Abstand zwischen der Diodeneinheit und der Grundplatte erhöht werden kann, um die Montage zu erleichtern oder potentielle Einflüsse durch elektrische Felder zwischen der Diodeneinheit und der Grundplatte zu verringern.
Es wird auch eine Halbleitervorrichtung mit einer Leiterplatte und mindestens einer an der Leiterplatte montierten Ausführungsform einer hierin genannten Halbleitereinrichtung vorgestellt.
Dabei kann die Leiterplatte außerhalb eines die Halbleitereinrichtung zumindest teilweise umschließenden Gehäuses angeordnet sein. Auch durch die hier vorgestellte Halbleitervorrichtung können alle zuvor genannten Vorteile optimal umgesetzt werden.
Es wird zudem ein Verfahren zum Herstellen einer Ausführungsform einer hierin genannten Halbleitereinrichtung vorgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

Bereitstellen der Diodeneinheit und der Anschlusseinheit;
Anordnen der Diodeneinheit an der Grundplatte der Anschlusseinheit; und
Anschließen der Kathodenseite der Diodeneinheit elektrisch an einen elektrisch von der Grundplatte isolierten Anschluss der Anschlüsse.

Durch Ausführen des Verfahrens kann eine Ausführungsform einer hierin genannten Halbleitervorrichtung auf vorteilhafte Weise hergestellt werden. Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Anordnens die Diodeneinheit mittels Flip-Chip-Montage an der Grundplatte angeordnet werden. Zusätzlich oder alternativ kann im Schritt des Anordnens die Diodeneinheit durch Löten und zusätzlich oder alternativ durch Sintern an der Grundplatte angeordnet werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine sichere mechanische und elektrische Montage der Diodeneinheit der Grundplatte realisiert werden kann, wobei eine zuverlässige Kühlmöglichkeit auf der Anodenseite der Diodeneinheit geschaffen werden kann.
Auch kann das Verfahren einen Schritt des Umschließens der Halbleitereinrichtung zumindest teilweise mit dem Gehäuse aufweisen. Hierbei kann die Halbleitereinrichtung zumindest teilweise mit Vergussmasse eingegossen werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine elektrische Isolation, ein Schutz vor mechanischer Belastung und eine erhöhte Robustheit der Halbleitereinrichtung erreicht werden können.
Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Anbringens des Wärmeabfuhrelements an der Halbleitereinrichtung aufweisen. Insbesondere kann dabei das Wärmeabfuhrelement an der Grundplatte der Anschlusseinheit oder an einem Gehäuse der Halbleitereinrichtung angebracht werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine besonders wirksame Wärmeabfuhr realisiert werden kann.
Zudem kann das Verfahren einen Schritt des Strukturierens der Grundplatte um die Diodeneinheit herum aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann im Schritt des Anordnens der Abstandhalter zwischen der Anodenseite der Diodeneinheit und der Grundplatte angeordnet werden. Der Schritt des Strukturierens kann unter Verwendung von mechanischen Verfahren oder Laserätzverfahren durchgeführt werden. Im Schritt des Anordnens kann der Abstandhalter durch Löten, Sintern oder Schweißen angeordnet werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass der Abstand zwischen der Diodeneinheit und der Grundplatte erhöht werden kann, um die Montage zu erleichtern oder potentielle Einflüsse durch elektrische Felder zwischen der Diodeneinheit und der Grundplatte zu verringern.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Diodeneinheit einer Halbleitereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Darstellung einer Halbleitereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Darstellung einer Halbleitereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 eine schematische Darstellung einer Halbleitereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5 eine schematische Darstellung einer Halbleitereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
6 eine schematische Darstellung einer Halbleitereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
7 eine schematische Darstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
8 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen einer Halbleitereinrichtung.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Diodeneinheit 100 einer Halbleitereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Diodeneinheit 100 ist auf der Basis von Galliumoxid ausgeführt. Die Diodeneinheit 100 ist als ein Leistungsbauelement bzw. eine Leistungsdiode ausgeführt. Somit kann die Diodeneinheit 100 auch als eine Galliumoxid-Diode bezeichnet werden. Die Diodeneinheit 100 weist eine Anodenseite 102 und eine der Anodenseite 102 gegenüberliegende Kathodenseite 106 auf. Auf der Anodenseite 102 weist die Diodeneinheit 100 eine Anode 104 auf. Die meiste Wärme wird auf dieser positiven Seite bzw. Anodenseite 102 der Diodeneinheit 100 erzeugt. Auf der Kathodenseite 106 bzw. negativen Seite weist die Diodeneinheit 100 eine Kathode 108 auf. Auf die Halbleitereinrichtung wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren noch detaillierter eingegangen.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Halbleitereinrichtung 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Halbleitereinrichtung 200 ist als ein TO247-Gehäuse oder TO247-Package oder als eine ähnliche Halbleitereinrichtung ausgeführt. Die Halbleitereinrichtung 200 ist für Leistungselektronik vorgesehen, beispielsweise Leistungsmodule, Gleichspannungswandler, Inverter, Ladevorrichtungen auf der Platine, etc. In der Darstellung von 2 ist die Halbleitereinrichtung 200 in einer schematischen Draufsicht auf eine Vorderseite ohne Gehäuse gezeigt.
Die Halbleitereinrichtung 200 umfasst eine Diodeneinheit 100 und eine Anschlusseinheit 210. Die Diodeneinheit 100 entspricht oder ähnelt hierbei der Diodeneinheit aus 1. Somit umfasst die Diodeneinheit 100, die auf der Basis von Galliumoxid ausgeführt ist, eine Anodenseite und eine der Anodenseite gegenüberliegende Kathodenseite. In der Darstellung von 2 ist von der Diodeneinheit 100 lediglich die Kathode 108 gezeigt. Die Anschlusseinheit 210 ist ausgeformt, um die Halbleitereinrichtung 200 elektrisch leitfähig und auch mechanisch an einer Leiterplatte zu montieren. Die Anschlusseinheit 210 umfasst eine Grundplatte 212 und mindestens zwei Anschlüsse P1, P2, P3 zum Einstecken in Kontaktlöcher der Leiterplatte. Dabei ist einer der Anschlüsse P1, P2, P3, hier P3, einstückig mit der Grundplatte 212 ausgeformt. Mindestens ein weiterer der Anschlüsse P1, P2, P3 ist elektrisch von der Grundplatte 212 isoliert.
Die Diodeneinheit 100 ist an der Grundplatte 212. Anschlusseinheit 210 angeordnet. Hierbei ist die Kathodenseite mit der Kathode 108 von der Grundplatte 212 abgewandt angeordnet. Die Anodenseite der Diodeneinheit 100 ist dabei der Grundplatte 212 zugewandt angeordnet und elektrisch mit der Grundplatte 212 verbunden. Die Kathodenseite, genauer gesagt die Kathode 108, der Diodeneinheit 100 ist elektrisch an einen elektrisch von der Grundplatte 212 isolierten Anschluss, hier P2, der Anschlüsse P1, P2, P3 angeschlossen.
Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Anschlusseinheit 210 einen ersten Anschluss P1, einen zweiten Anschluss P2 und einen dritten Anschluss P3. Dabei ist der zweite Anschluss P2 zwischen dem ersten Anschluss P1 und dem dritten Anschluss P3 angeordnet. Der erste Anschluss P1 und der zweite Anschluss P2 sind elektrisch von der Grundplatte 212 der Anschlusseinheit 210 isoliert. Der dritte Anschluss P3 ist einstückig mit der Grundplatte 212 ausgeformt. Die Kathodenseite, genauer gesagt die Kathode 108, der Diodeneinheit 100 ist elektrisch an den zweiten Anschluss P2 angeschlossen. Ferner ist gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die Kathodenseite, genauer gesagt die Kathode 108, der Diodeneinheit 100 mittels mindestens eines Bonddrahtes 220 elektrisch an den einen elektrisch von der Grundplatte 212 isolierten Anschluss der Anschlüsse P1, P2, P3 angeschlossen, hier an den zweiten Anschluss P2.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Halbleitereinrichtung 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Halbleitereinrichtung 200 entspricht oder ähnelt hierbei der Halbleitereinrichtung aus 2 mit Ausnahme dessen, dass in 3 auch ein Gehäuse 330 und ein Wärmeabfuhrelement 340 der Halbleitereinrichtung 200 gezeigt sind, wobei verglichen mit der Darstellung in 2 eine Rückseite der Halbleitereinrichtung 200 gezeigt ist, sodass außer dem Gehäuse 330 und dem Wärmeabfuhrelement 340 von der Halbleitereinrichtung 200 ansonsten lediglich die Anschlüsse P1, P2, P3 gezeigt sind.
Das Gehäuse 330, bei dem es sich beispielsweise um Vergussmasse oder dergleichen handelt, umschließt Halbleitereinrichtung 200 zumindest teilweise. Genauer gesagt deckt das Gehäuse 330 die Diodeneinheit vollständig ab und umschließt die Grundplatte der Anschlusseinheit vollständig und die Anschlüsse P1, P2, P3 partiell. Hierbei sind auch die von der Grundplatte der Anschlusseinheit elektrisch isolierten Anschlüsse P1 und P2 durch das Gehäuse 330 fixiert.
Das Wärmeabfuhrelement 340 ist an dem Gehäuse 330 oder alternativ an der Grundplatte der Anschlusseinheit angebracht. Hierbei ist die Grundplatte der Anschlusseinheit zwischen dem Wärmeabfuhrelement 340 und der Anodenseite der Diodeneinheit angeordnet. Das Wärmeabfuhrelement 340 ist ausgebildet, um Wärme von der Halbleitereinrichtung 200, genauer gesagt von der Diodeneinheit und insbesondere von der Anodenseite der Diodeneinheit abzuführen. Bei dem Wärmeabfuhrelement 340 handelt es sich Beispiel zweite um ein sogenanntes Kühlpad oder dergleichen.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Halbleitereinrichtung 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Halbleitereinrichtung 200 entspricht oder ähnelt der Halbleitereinrichtung aus einer der vorstehend beschriebenen Figuren. Insbesondere entspricht die Halbleitereinrichtung 200 der Halbleitereinrichtung aus 2, wobei die Halbleitereinrichtung 200 in 4 in einer schematischen Seitenansicht gezeigt ist. Darstellungsbedingt sind hierbei von der Halbleitereinrichtung 200 die Diodeneinheit 100, die Grundplatte 212 und der dritte Anschluss P3 der Anschlusseinheit gezeigt.
In 4 ist erkennbar, dass die Diodeneinheit 100 gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als ein Chip ausgeführt ist. Die Diodeneinheit 100 ist mittels Flip-Chip-Montage an der Grundplatte 212 der Anschlusseinheit angeordnet. Insbesondere ist die Diodeneinheit 100 durch Löten und/oder Sintern an der Grundplatte 212 angeordnet. Dabei ist die Diodeneinheit 100 auch thermisch mit der Grundplatte 212 gekoppelt.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Halbleitereinrichtung 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Halbleitereinrichtung 200 und die Darstellung in 5 entsprechen hierbei der Halbleitereinrichtung und der Darstellung aus 4 mit Ausnahme dessen, dass die Halbleitereinrichtung 200 zusätzlich einen Abstandhalter 550 aufweist. Der Abstandhalter 550 ist zwischen der Anodenseite 102 der Diodeneinheit 100 und der Grundplatte 212 der Anschlusseinheit angeordnet, insbesondere durch Löten, Sintern oder Schweißen.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer Halbleitereinrichtung 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Halbleitereinrichtung 200 und die Darstellung in 6 entsprechen hierbei der Halbleitereinrichtung und der Darstellung aus 4 mit Ausnahme dessen, dass die Grundplatte 212 der Anschlusseinheit um die Diodeneinheit 100 herum strukturiert ist, insbesondere durch mechanische Verfahren oder Laserätzverfahren. Insbesondere ist in der Grundplatte 212 ein sich um die Diodeneinheit 100 herum erstreckender Graben 614 ausgeformt.
Unter Bezugnahme auf 5 und 6 sei kurz erläutert, dass es bei Flip-Chip-Anordnungen wie der Anordnung der Diodeneinheit 100 innerhalb der Halbleitereinrichtung 200 vorteilhaft sein kann, den Abstand zwischen der Oberfläche des Chips bzw. der Diodeneinheit 100 und der Grundplatte 212 zu erhöhen. So kann Beispiel zweite die Montage erleichtert werden und/oder können potentielle Einflüsse durch elektrische Felder zwischen der Oberfläche des Chips bzw. der Diodeneinheit und der Grundplatte 212 verringert werden. Hierfür sind die Ausführungsbeispiele aus 5 und/oder 6 geeignet.
7 zeigt eine schematische Darstellung einer Halbleitervorrichtung 700 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Halbleitervorrichtung 700 umfasst insbesondere Leistungselektronik und ist beispielsweise für Leistungsmodule, Gleichspannungswandler, Inverter, Ladevorrichtungen auf der Platine oder dergleichen vorgesehen oder Teil derselben. Die Halbleitervorrichtung 700 umfasst eine Leiterplatte 705 und mindestens eine Halbleitereinrichtung 200, die an der Leiterplatte 705 montiert ist. Die mindestens eine Halbleitereinrichtung 200 entspricht oder ähnelt hierbei der Halbleitereinrichtung aus einer der vorstehend beschriebenen Figuren. Zur Montage der mindestens einen Halbleitereinrichtung 200 an der Leiterplatte 705 sind oder werden die Anschlüsse der mindestens einen Halbleitereinrichtung 200 in Kontaktlöcher eingesteckt, die in der Leiterplatte 705 ausgeformt sind.
8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 800 zum Herstellen einer Halbleitereinrichtung. Durch Ausführen des Verfahrens 800 zum Herstellen ist die Halbleitereinrichtung aus einer der vorstehend beschriebenen Figuren herstellbar. Das Verfahren 800 zum Herstellen umfasst einen Schritt 810 des Bereitstellens der Diodeneinheit und der Anschlusseinheit der Halbleitereinrichtung aus einer der vorstehend beschriebenen Figuren. Ferner umfasst das Verfahren 800 zum Herstellen einen Schritt 820 des Anordnens der Diodeneinheit an der Grundplatte der Anschlusseinheit. Zudem umfasst das Verfahren 800 zum Herstellen auch einen Schritt 830 des Anschließens der Kathodenseite der Diodeneinheit elektrisch an einen elektrisch von der Grundplatte isolierten Anschluss der Anschlüsse.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 800 zum Herstellen auch einen Schritt 805 des Strukturierens der Grundplatte um die Diodeneinheit herum. Hierbei wird die Grundplatte bzw. Kupfer-Grundplatte präzise strukturiert, bevor der Chip bzw. Diodeneinheit montiert wird, beispielsweise durch mechanische Verfahren oder Laserätzverfahren. Der Schritt 805 des Strukturierens ist hierbei nach dem Schritt 810 des Bereitstellens ausführbar.
Insbesondere wird im Schritt 820 des Anordnens die Diodeneinheit mittels Flip-Chip-Montage und/oder durch Löten und/oder Sintern an der Grundplatte angeordnet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt 820 des Anordnens ein Abstandhalter zwischen der Anodenseite der Diodeneinheit und der Grundplatte angeordnet.
Das Verfahren 800 zum Herstellen umfasst gemäß einem Ausführungsbeispiel auch einen Schritt 840 des Umschließens der Halbleitereinrichtung zumindest teilweise mit dem Gehäuse. Der Schritt 840 des Umschließens ist hierbei nach dem Schritt 830 des Anschließens ausführbar.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 800 zum Herstellen zu dem einen Schritt 815 des Anbringens des Wärmeabfuhrelements an der Halbleitereinrichtung. Der Schritt 815 des Anbringens ist hierbei entweder nach dem Schritt 810 des Bereitstellens, wobei das Wärmeabfuhrelement an der Grundplatte der Anschlusseinheit angebracht wird, oder nach dem Schritt 840 des Umschließens ausführbar, wobei das Wärmeabfuhrelement an dem Gehäuse angebracht wird.
Unter Bezugnahme auf die vorstehend beschriebenen Figuren werden Ausführungsbeispiele und Vorteile von Ausführungsbeispielen nachfolgend zusammenfassend und mit anderen Worten nochmals erläutert.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist insbesondere eine Modifikation der Anschlusseinheit 210 bzw. eines TO247-Gehäuserahmens (Leadframe) zur Verbesserung der Wärmeableitung in Ga₂O₃-Leistungsbauelementen, hier der Diodeneinheit 100, vorgesehen. Es wird beispielsweise eine Flip-Chip-Montage einer Galliumoxid-Leistungsdiode bzw. der Diodeneinheit 100 in einem üblichen TO247-Gehäuse bzw. Package ermöglicht. Durch Modifizieren der Struktur des Gehäuserahmens bzw. der Anschlusseinheit 210 können die Wärmeableitung und somit die Leistung bzw. Nennleistung signifikant erhöht werden, ohne die Standardkonfiguration von Anschlussstiften bzw. Anschlüssen P1, P2, P3 zu ändern. Deshalb sind auch keine Änderungen an Schaltungslayouts der Leiterplatte 705 nötig.
Das sogenannte TO247-Package ist eines der am häufigsten verwendeten Packages für Leistungselektronikchips (Dioden, Transistoren). Der Chip wird jedoch in diesen Gehäusen herkömmlicherweise von der Unterseite her gekühlt. Für neue Halbleiterbauelemente mit breitem Bandabstand auf der Basis von Galliumoxid (Ga₂O₃), wie die Diodeneinheit 100, ist jedoch das Kühlen des Chips von der Oberseite, d. h. von der Anodenseite 102 (junction side) her, signifikant wirksamer. Es wird insbesondere eine neue Art von TO247-Gehäusestruktur beschrieben, die eine Kühlung des Chips bzw. der Diodeneinheit 100 von der Anodenseite 102 ohne Änderung des Schaltungslayouts der Leiterplatte 705 ermöglicht.
Das TO247-Package ist eines der am häufigsten verwendeten Packages für Leistungselektronikchips, da es kostengünstig, einfach zu handhaben und wirksam kühlbar ist. Das Package weist in seiner gängigsten Konfiguration drei Kupferanschlüsse (P1, P2, P3) auf. Mit diesen Anschlüssen kann das Bauelement bzw. die Halbleitereinrichtung 200 und somit die Diodeneinheit 100 elektrisch mit einer Schaltungsplatine beziehen zweite Leiterplatte 705 verbunden sein. Falls ein Transistor, z. B. IGBT, MOSFET, in einem Package bzw. einer Halbleitereinrichtung montiert ist, so werden alle drei Anschlüsse genutzt, Gate, Source oder Emitter, Drain oder Collector. Eine Diode weist lediglich zwei Kontakte auf, Anode und Katode. Daher werden lediglich zwei Anschlussstifte bzw. Anschlüsse genutzt und der dritte ist nicht angeschlossen. Dies erfolgt bei herkömmlichen Halbleitereinrichtungen beispielsweise folgendermaßen: Die Kathode der Diode ist elektrisch und thermisch an der Grundplatte angebracht, z. B. durch Löten oder Sintern). Die Grundplatte und der Anschluss P2 sind einstückig, somit liegt der Anschluss P2 auf Kathodenpotenzial. Die Anode ist Beispiel zweite mittels Bonddrähten mit dem Anschluss P3 verbunden, somit liegt der Anschluss P3 auf Anodenpotenzial. Alle Anschlüsse sind durch einen nachfolgenden Vergussprozess sicher in Position gehalten und mechanisch stabilisiert.
Gemäß dem Vorschlag hierin wird anstelle der Standardmontage die Ga₂O₃-Diode bzw. Diodeneinheit 100 in dem Package umgedreht bzw. geflippt, wobei die Anode 104 der Grundplatte 212 zugewandt ist und die Kathode 208 nach oben bzw. von der Grundplatte 212 weg gewandt ist. Damit ist eine wirksame Kühlung möglich und die Leistung von Ga₂O₃-Dioden ist gesteigert.
Wenn die Diodeneinheit 100 jedoch lediglich umgedreht würde, läge der zweite Anschluss P2 auf Anodenpotenzial und läge der dritte Anschluss P3 auf Kathodenpotenzial. Bei vielen Anwendungen würde dies bedeuten, dass Änderungen der Layouts von Schaltungsplatinen bzw. Leiterplatten 705 nötig wären und übliche Strukturen von Schaltungsplatinen beziehen zweite Leiterplatten 705 nicht ohne weiteres verwendet werden könnten.
Zusätzlich zu der Flip-Chip-Montage wird daher eine Modifikation der Anschlusseinheit 210 beispielsweise eines TO247-Package vorgeschlagen. Wie es insbesondere in 3 gezeigt ist, ist der dritte Anschluss P3 nun einstückig mit der Grundplatte 212 ausgeformt und sind der erste Anschluss P1 und der zweite Anschluss P2 elektrisch von der Grundplatte 212 isoliert. Ferner ist der zweite Anschluss P2 elektrisch mit der Kathode 106 der Diodeneinheit 100 verbunden, z. B. unter Verwendung von Bonddrähten 220. Das Bauelement kann dann in derselben Weise eingegossen werden wie das standardmäßige TO247-Package. Auf diese Weise liegt bei der Montage der Diodeneinheit in einer Flip-Chip-Anordnung an der Grundplatte 212 der dritte Anschluss P3 immer noch auf Anodenpotenzial, liegt der zweite Anschluss P2 immer noch auf Kathodenpotenzial und ist der erste Anschluss P1 immer noch nicht elektrisch angeschlossen. Dies bedeutet, dass das Bauelement bzw. die Halbleitereinrichtung 200 direkt in Standardschaltungen platziert werden kann, ohne dass weitere Modifikationen nötig sind. Zudem wird der Chip bzw. die Diodeneinheit 100 von der Anodenseite 102 her wirksam gekühlt, um die Nennleistung zu erhöhen. Auch können die gleichen Verarbeitungsschritte wie für das „übliche“ TO247-Package verwendet werden, sodass das Package in standardmäßiger Massenfertigung kostengünstig bleiben kann.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
Bezugszeichen

100: Diodeneinheit
102: Anodenseite
104: Anode
106: Kathodenseite
108: Kathode
200: Halbleitereinrichtung
210: Anschlusseinheit
212: Grundplatte
220: Bonddraht
P1: erster Anschluss
P2: zweiter Anschluss
P3: dritter Anschluss
330: Gehäuse
340: Wärmeabfuhrelement
550: Abstandhalter
614: Graben
700: Halbleitervorrichtung
705: Leiterplatte
800: Verfahren zum Herstellen der Halbleitereinrichtung
805: Schritt des Strukturierens
810: Schritt des Bereitstellens
815: Schritt des Anbringens
820: Schritt des Anordnens
830: Schritt des Anschließens
840: Schritt des Umschließens

Claims

Halbleitereinrichtung (200), die folgende Merkmale aufweist: eine Diodeneinheit (100), die auf der Basis von Galliumoxid ausgeführt ist, wobei die Diodeneinheit (100) eine Anodenseite (102) und eine der Anodenseite (102) gegenüberliegende Kathodenseite (106) aufweist, und eine Anschlusseinheit (210) zum elektrisch leitfähigen Montieren der Halbleitereinrichtung (200) an einer Leiterplatte (705), wobei die Anschlusseinheit (210) eine Grundplatte (212) und mindestens zwei Anschlüsse (P1, P2, P3) zum Einstecken in Kontaktlöcher der Leiterplatte (705) aufweist, wobei einer der Anschlüsse (P1, P2, P3) einstückig mit der Grundplatte (212) ausgeformt ist und mindestens ein weiterer der Anschlüsse (P1, P2, P3) elektrisch von der Grundplatte (212) isoliert ist, wobei die Diodeneinheit (100) an der Grundplatte (212) der Anschlusseinheit (210) angeordnet ist, wobei die Anodenseite (102) der Diodeneinheit (100) der Grundplatte (212) zugewandt angeordnet und elektrisch mit der Grundplatte (212) verbunden ist, wobei die Kathodenseite (106) der Diodeneinheit (100) von der Grundplatte (212) abgewandt angeordnet und elektrisch an einen elektrisch von der Grundplatte (212) isolierten Anschluss der Anschlüsse (P1, P2, P3) angeschlossen ist.
Halbleitereinrichtung (200) gemäß Anspruch 1, wobei die Diodeneinheit (100) als ein Chip ausgeführt ist, wobei die Diodeneinheit (100) mittels Flip-Chip-Montage und/oder durch Löten und/oder Sintern an der Grundplatte (212) angeordnet ist.
Halbleitereinrichtung (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Kathodenseite (106) der Diodeneinheit (100) mittels mindestens eines Bonddrahtes (220) elektrisch an den einen elektrisch von der Grundplatte (212) isolierten Anschluss der Anschlüsse (P1, P2, P3) angeschlossen ist.
Halbleitereinrichtung (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Diodeneinheit (100) thermisch mit der Grundplatte (212) gekoppelt ist.
Halbleitereinrichtung (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Anschlusseinheit (210) einen ersten Anschluss (P1), einen zweiten Anschluss (P2) und einen dritten Anschluss (P3) aufweist, wobei der zweite Anschluss (P2) zwischen dem ersten Anschluss (P1) und dem dritten Anschluss (P3) angeordnet ist, wobei der erste Anschluss (P1) und der zweite Anschluss (P2) elektrisch von der Grundplatte (212) der Anschlusseinheit (210) isoliert sind und der dritte Anschluss (P3) einstückig mit der Grundplatte (212) ausgeformt ist, wobei die Kathodenseite (106) der Diodeneinheit (100) elektrisch an den zweiten Anschluss (P2) angeschlossen ist.
Halbleitereinrichtung (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Gehäuse (330), wobei die Halbleitereinrichtung (200) zumindest teilweise von dem Gehäuse (330) umschlossen ist, wobei der mindestens eine von der Grundplatte (212) elektrisch isolierte Anschluss (P1, P2) durch das Gehäuse (330) fixiert ist.
Halbleitereinrichtung (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Wärmeabfuhrelement (340) zum Abführen von Wärme von der Halbleitereinrichtung (200), insbesondere von der Diodeneinheit (100), wobei die Grundplatte (212) der Anschlusseinheit (210) zwischen dem Wärmeabfuhrelement (340) und der Anodenseite (102) der Diodeneinheit (100) angeordnet ist.
Halbleitereinrichtung (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Abstandhalter (550), der zwischen der Anodenseite (102) der Diodeneinheit (100) und der Grundplatte (212) angeordnet ist oder durch Löten, Sintern oder Schweißen zwischen der Anodenseite (102) der Diodeneinheit (100) und der Grundplatte (212) angeordnet ist.
Halbleitereinrichtung (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Grundplatte (212), insbesondere durch mechanische Verfahren oder Laserätzverfahren, um die Diodeneinheit (100) herum strukturiert ist und/oder einen sich um die Diodeneinheit (100) herum erstreckenden Graben (614) aufweist.
Halbleitervorrichtung (700) mit einer Leiterplatte (705) und mindestens einer an der Leiterplatte (705) montierten Halbleitereinrichtung (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche.
Verfahren (800) zum Herstellen einer Halbleitereinrichtung (200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Verfahren (800) folgende Schritte aufweist: Bereitstellen (810) der Diodeneinheit (100) und der Anschlusseinheit (210); Anordnen (820) der Diodeneinheit (100) an der Grundplatte (212) der Anschlusseinheit (210); und Anschließen (830) der Kathodenseite (106) der Diodeneinheit (100) elektrisch an einen elektrisch von der Grundplatte (212) isolierten Anschluss der Anschlüsse (P1, P2, P3).
Verfahren (800) gemäß Anspruch 11, wobei im Schritt (820) des Anordnens die Diodeneinheit (100) mittels Flip-Chip-Montage und/oder durch Löten und/oder Sintern an der Grundplatte (212) angeordnet wird.
Verfahren (800) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 12, mit einem Schritt (840) des Umschließens der Halbleitereinrichtung (200) zumindest teilweise mit dem Gehäuse (330).
Verfahren (800) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, mit einem Schritt (815) des Anbringens des Wärmeabfuhrelements (340) an der Halbleitereinrichtung (200).
Verfahren (800) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, mit einem Schritt (805) des Strukturierens der Grundplatte (212) um die Diodeneinheit (100) herum und/oder wobei im Schritt (820) des Anordnens der Abstandhalter (550) zwischen der Anodenseite (102) der Diodeneinheit (100) und der Grundplatte (212) angeordnet wird.