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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Leistungsmodul mit mindestens einer gemusterten gesinterten Verbindung und ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls.
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Sintern ist ein gut geeignetes Verfahren zur Herstellung mechanisch fester und hochgradig zuverlässiger Fügeverbindungen. Im Hinblick auf thermomechanische Spannungen, wie sie typischerweise bei zyklischen Temperaturwechseln auftreten, kann die Zuverlässigkeit von gesinterten Verbindungen, beispielsweise von gesinterten Silberverbindungen, die Zuverlässigkeit von Lötverbindungen deutlich übertreffen. Gesinterte Fügeverbindungen, die z. B. aus Silber- oder Kupfer-Mikro- oder Nanopartikeln hergestellt werden, können nicht nur für Die-Bonds, sondern auch für Clips oder andere Planarkontakte verwendet werden, die z. B. auf einer oberseitigen Kontaktoberfläche eines Chips befestigt werden können, oder zum Bonden eines Substrats an eine Grundplatte.
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Dokument
US 2019/043791 beschreibt eine Sintermetallpaste, die zum Bilden einer gesinterten Metallbondingverbindung verwendet wird. Als Sintermetallpaste wird beispielsweise eine Sintersilberpaste verwendet. Die Sintermetallpaste wird auf vorbestimmte Bereiche eines ersten Pad-Bereichs aufgetragen, wobei auf dem ersten Pad-Bereich im Voraus eine Auftragsfläche und eine Nicht-Auftragsfläche festgelegt werden. Die Auftragsfläche ist eine Fläche, auf die die Sintermetallpaste aufgetragen werden soll. Die Nicht-Auftragsfläche ist eine Fläche, auf die die Sintermetallpaste nicht aufgetragen werden soll. Die Auftragsfläche und die Nicht-Auftragsfläche 62 können unterschiedliche, zusammenhängende oder nicht miteinander zusammenhängende Formen haben. Dokument
JP 2014 029964 A stellt ein Bondverfahren bereit, bei dem ein Aluminiumelement mit einem anderen Element unter Verwendung eines Verbindungsmaterials, das Silberoxid enthält, verbunden wird. Insbesondere umfasst das Verfahren: einen Schritt zum Bilden einer Grundschicht, bei dem eine Grundschicht und ein nicht beschichteter Abschnitt der Grundschicht auf der Oberfläche einer Verbindungsfläche eines Aluminiumelements gebildet werden und der nicht beschichtete Abschnitt der Grundschicht so gebildet wird, dass er sich zum Umfangsabschnitt der Verbindungsfläche erstreckt. Ein Schritt zum Platzieren von Verbindungsmaterial wird durchgeführt, um ein Verbindungsmaterial zwischen dem Aluminiumelement und einem anderen Element zu platzieren. Ferner wird ein Sinterschritt zum Sintern des Verbindungsmaterials durchgeführt, um einen Nicht-Verbindungsabschnitt und eine Verbindungsschicht zu bilden, wodurch das Aluminiumelement und ein anderes Element über den Nicht-Verbindungsabschnitt und die Verbindungsschicht miteinander verbunden werden.
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US 2012/211764 A1 beschreibt eine Nano-Ag-Paste, die auf den Umfang einer Lötplatte in einem Bereich eines Gehäuserahmens aufgebracht wird, wobei ein Halbleiterelement mit der Vorderseite nach oben auf der Lötplatte und der Nano-Ag-Paste montiert wird. Die Nano-Ag-Paste und die Lötplatte werden erwärmt, um die Lötplatte zu formen. Dabei werden die in der Nano-Ag-Paste enthaltenen Ag-Partikel gesintert, bevor die Lötplatte schmilzt, wodurch sie ein schichtartiges poröses Metallmaterial bilden. Wenn die Lötplatte schmilzt, fließt das geschmolzene Lot in großem Umfang in die Poren des porösen Metallmaterials und verbleibt das restliche geschmolzene Lot in dem zentralen Bereich. Wenn das Lot durch den anschließenden Abkühlungsprozess verfestigt wird, bildet sich das Verbundmaterial und bildet sich die Lotschicht in dem Verbundmaterial.
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Ausführungsformen der Offenbarung betreffen ein Leistungsmodul mit reduzierter thermomechanischer Eigenspannung. Weitere Ausführungsformen der Offenbarung betreffen ein vereinfachtes, aber effizientes Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls mit geringer thermomechanischer Eigenspannung.
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Ausführungsformen der Offenbarung gehen die vorstehend genannten Mängel des Standes der Technik ganz oder teilweise an. Weitere Ausführungsformen des Leistungsmoduls sind Gegenstand der weiteren Ansprüche.
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Gemäß einer Ausführungsform eines Leistungsmoduls umfasst dieses mindestens zwei Modulkomponenten und mindestens eine Verbindungsschicht, wobei die mindestens eine Verbindungsschicht entlang einer vertikalen Richtung zwischen den mindestens zwei Modulkomponenten gebildet wird, um die mindestens zwei Modulkomponenten mechanisch zu verbinden. Die mindestens eine Verbindungsschicht ist eine gesinterte Verbindungsschicht, die eine gesinterte Verbindung zwischen den mindestens zwei Modulkomponenten bildet. Die mindestens eine Verbindungsschicht ist gemustert und in einer Draufsicht ist eine Fläche der gesinterten Verbindung nur teilweise von einem Sintermaterial bedeckt, wobei Teilbereiche der Fläche, die nicht von dem Sintermaterial bedeckt sind, von einer oder mehreren Außenkanten der Fläche begrenzt werden. Ferner liegt das Verhältnis der Oberflächen der nicht bedeckten Teilbereiche zur entsprechenden Fläche der gesinterten Verbindung zwischen jeweils einschließlich 10 % und 75 %. Das Leistungsmodul ist beispielsweise ein Leistungshalbleitermodul. Ferner kann die mindestens eine Verbindungsschicht auch zur elektrischen Verbindung der mindestens zwei Modulkomponenten verwendet werden.
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Bei einem Leistungsmodul, dessen Modulkomponenten durch eine nicht gemusterte oder nicht strukturierte Sinterschicht mechanisch miteinander verbunden werden, kann es während der Herstellung oder während des Betriebs des Leistungsmoduls zu unerwünschten Verformungen durch thermomechanische Eigenspannungen kommen, die z. B. von den Auswirkungen von Temperaturschwankungen verursacht werden. Solche unerwünschten Verformungen können zur Bildung von inneren Rissen in dem Leistungsmodul, beispielsweise in den Fügeverbindungen, zur Delamination der Fügeverbindungen, der Modulkomponenten oder zu anderen Beschädigungen des Leistungsmoduls führen. Im Gegensatz dazu kann mit einer gemusterten gesinterten Verbindungsschicht eine sehr hohe Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls in Bezug auf thermomechanische Spannungen erreicht werden, da die gemusterte gesinterte Verbindungsschicht nicht die gesamte Fläche der gesinterten Verbindung bedeckt, daher weniger steif und somit flexibler ist und als Kompensationsschicht zur Verteilung bzw. Reduzierung thermomechanischer Eigenspannungen in dem Leistungsmodul, z. B. in den Fügeverbindungen und in entsprechenden Grenzflächen mit den Fügepartnern, wirken kann.
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Es hat sich gezeigt, dass mit einem Verhältnis der Oberflächen der nicht bedeckten Teilbereiche zur entsprechenden Fläche der gesinterten Verbindung zwischen 10 % und 75 % eine deutliche Reduzierung der thermomechanischen Eigenspannung in den Verbindungsschichten und in dem Leistungsmodul erreicht werden kann. Beispielsweise liegt das Verhältnis zwischen 15 % und 75 %, zwischen 15 % und 65 %, zwischen 15 % und 55 %, zwischen 15 % und 45 %, zwischen 15 % und 35 % oder zwischen 25 % und 75 %, zwischen 35 % und 75 %, zwischen 45 % und 75 % oder zwischen 55 % und 75 %. Liegt das Verhältnis deutlich unter 15 %, z. B. unter 10 %, 7 %, 5 % oder unter 3 %, ist die Wirkung der Reduzierung der thermomechanischen Eigenspannung sehr gering oder kaum vorhanden. Beträgt das Verhältnis mehr als 75 %, ist eine mechanisch stabile Verbindung zwischen den mindestens zwei Modulkomponenten möglicherweise nicht immer gewährleistet.
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Außerdem kann das Flächenverhältnis zwischen den Oberflächen der nicht bedeckten Teilbereiche und den Oberflächen der von dem Sintermaterial bedeckten Verbindungsfläche jeweils einschließlich zwischen 0,25 und 4, zwischen 0,5 und 2, zwischen 0,75 und 1,5, zwischen 1 und 1,5 oder zwischen 0,75 und 1,25 liegen.
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Da ferner Teilbereiche der Fläche der gesinterten Verbindung, die nicht von dem Sintermaterial bedeckt sind, von einer oder mehreren Außenkanten der Fläche der gesinterten Verbindung begrenzt werden, können diese Teilbereiche für eine verbesserte Abführung von Gasen oder organischen Stoffen, beispielsweise während des Sinterprozesses, genutzt werden, was zu einer verbesserten Qualität der gesinterten Verbindungen führt.
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Die Fläche der gesinterten Verbindung oder die Verbindungsfläche kann in dieser Offenbarung als überlappende Oberfläche oder als vertikale Zwischenräume zwischen den mindestens zwei Modulkomponenten betrachtet werden, wobei die Zwischenräume an einigen Stellen von dem Sintermaterial gefüllt sind und an anderen Stellen nicht von dem Sintermaterial gefüllt sind. Die Fläche der gesinterten Verbindung kann auch durch eine Rückseite oder durch eine Vorderseite eine der mindestens zwei Modulkomponenten definiert sein. Unter einer vertikalen Richtung ist eine Richtung zu verstehen, die rechtwinklig zu einer Haupterstreckungsoberfläche einer oder beider der mindestens zwei Modulkomponenten gerichtet ist. Unter einer seitlichen Richtung ist eine Richtung zu verstehen, die parallel zur Haupterstreckungsoberfläche einer oder beider der mindestens zwei Modulkomponenten verläuft. Die vertikale Richtung und die laterale Richtung verlaufen orthogonal zueinander.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die mindestens zwei Modulkomponenten Elemente aus einer Gruppe, die umfasst: eine Grundplatte, ein Substrat, eine elektronische Komponente und eine elektrische Verbindung. Dabei kann das Leistungsmodul auch mehr als zwei Modulkomponenten umfassen. Es ist auch möglich, dass das Leistungsmodul mindestens zwei vertikal übereinander angeordnete Substrate umfasst. Ferner ist es möglich, dass das Leistungsmodul mindestens zwei seitlich nebeneinander angeordnete Substrate umfasst, die durch eine dritte Modulkomponente, die die elektrische Verbindung ist, die beispielsweise als Clip gebildet ist, mechanisch und/oder elektrisch miteinander verbunden sind.
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Die Grundplatte kann z. B. zum Aufnehmen und Tragen des Substrats verwendet werden. Die Grundplatte kann aus Metall oder einer Metalllegierung hergestellt sein, beispielsweise aus Cu oder Al oder einer entsprechenden Legierung. Alternativ ist es auch möglich, dass die Grundplatte aus einem Verbundmaterial hergestellt ist, beispielsweise aus einem SiC-haltigen Verbundmaterial. Ein solches Material kann mit einem metallischen Material wie Al oder Mg gefüllt werden, was AlSiC oder MgSiC ergibt. Die Grundplatte ist jedoch nicht auf die vorstehend genannten Materialien beschränkt.
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Das Substrat kann für die Aufnahme einer elektronischen Komponente oder mehrerer elektronischer Komponenten verwendet werden. Das Substrat umfasst beispielsweise eine vorderseitige Metallisierung und eine rückseitige Metallisierung, wobei die vorderseitige Metallisierung durch eine Isolierschicht vertikal von der rückseitigen Metallisierung getrennt ist. Die Isolierschicht kann aus keramischem Material wie AlN, Si3N4, Al2O3 oder Harzmaterial mit anorganischem Füllstoff hergestellt sein. Die vorderseitige Metallisierung kann eine erste Metallisierungsschicht und eine zweite Metallisierungsschicht umfassen, die elektrisch und räumlich von der ersten Metallisierungsschicht getrennt ist, beispielsweise durch einen Trenngraben. Die erste Metallisierungsschicht und die zweite Metallisierungsschicht können unterschiedlichen elektrischen Polaritäten des Leistungsmoduls oder der elektronischen Komponente zugeordnet sein. Beispielsweise ist die elektronische Komponente auf der vorderseitigen Metallisierung angeordnet und sowohl mit der ersten Metallisierungsschicht als auch mit der zweiten Metallisierungsschicht elektrisch verbunden. Die vorderseitige Metallisierung kann eine Mehrzahl von ersten Metallisierungsschichten und/oder eine Mehrzahl von zweiten Metallisierungsschichten umfassen. Das Substrat kann eine gedruckte Leiterplatte sein.
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Bei der elektronischen Komponente kann es sich um einen elektronischen Chip, einen Halbleiterchip, einen Sensor, z. B. zur Temperaturmessung, eine Schaltvorrichtung wie einen IGBT, einen Leistungs-MOSFET aus Silizium, Siliziumkarbid, Galliumnitrid oder einem anderen Halbleitermaterial, eine Diode, eine diskrete Vorrichtung wie einen Widerstand, einen Kondensator, eine induktive Komponente oder einen Transistor handeln, ist aber nicht darauf beschränkt.
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Bei der elektrischen Verbindung kann es sich um einen Clip, eine Anschlussklemme, z. B. einen Anschlussklemmenfuß, oder eine planare Kontaktstruktur, z. B. ein Plättchen, handeln, auf der ein weiteres Verbindungselement angebracht ist. Die elektrische Verbindung dient beispielsweise dazu, die elektronische Komponente elektrisch mit der zweiten Substratmetallisierung zu verbinden. Beispielsweise ist die elektronische Komponente auf der ersten Metallisierungsschicht angeordnet und verbindet die elektrische Verbindung eine Vorderseite der elektronischen Komponente elektrisch mit der zweiten Metallisierungsschicht. Es ist auch möglich, dass die elektrische Verbindung dazu ausgelegt ist, zwei Chipoberflächen, beispielsweise zwei Oberflächen zweier elektronischer Komponenten oder zwei Metallisierungsmuster des Substrats/der Substrate, miteinander zu verbinden. Die mindestens eine gemusterte gesinterte Verbindungsschicht kann zum Verbinden der elektrischen Verbindung, z. B. in Form eines Anschlussklemmenfußes oder eines anderen Planarkontakts mit einer Chipoberfläche oder mit der Substratmetallisierung, verwendet werden. Ferner kann die mindestens eine gemusterte gesinterte Verbindungsschicht zur Verbindung eines Kontaktplättchens, das z. B. für Kupferdraht-Bonds verwendet werden kann, oder zur Verbindung einer Anschlussklemme auf der Chipoberfläche aufgebracht werden, so dass eine zusätzliche gesinterte Verbindung auf dem Substrat nicht erforderlich ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform befindet sich die mindestens eine gemusterte gesinterte Verbindungsschicht in vertikaler Richtung zwischen der elektrischen Verbindung und der elektronischen Komponente, zwischen der elektrischen Verbindung und dem Substrat, zwischen der elektronischen Komponente und dem Substrat oder zwischen dem Substrat und der Grundplatte. Je nach Lage der mindestens einen gemusterten gesinterten Verbindungsschicht kann diese direkt an die Grundplatte, das Substrat, die elektronische Komponente und/oder die elektrische Verbindung angrenzen.
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So können einige Fügeverbindungen, die durch gesinterte Verbindungsschichten realisiert sein können, zwischen folgenden Elementen liegen:
- - einer oberen Chipoberfläche und der elektrischen Verbindung z. B. in Form eines Clips, einer Anschlussklemme oder eines anderen planaren Kontaktelements, z. B. eines Kontaktplättchens;
- - der Substratmetallisierung und der elektrischen Verbindung, z. B. in Form eines Clips, einer Anschlussklemme oder eines anderen planaren Kontaktelements;
- - der Substratmetallisierung und einer Chiprückseitenoberfläche (Die-Bond); und/oder
- - der Grundplatte und dem Substrat (Substratbond).
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Einige spezielle Arten von Fügeverbindungen auf der Oberseite eines Chips können Folgendes umfassen: einen Clip, der eine Chipoberfläche und eine Substratoberfläche miteinander verbindet, eine Anschlussklemme mit Fuß für die Verbindung, wobei letzterer mit einer externen Anschlussklemme in Bezug stehen kann, die direkt auf der Chipoberfläche angebracht ist, oder eine andere Art von Planarkontakt. Die elektrische Verbindung kann ein Kontaktelement in Form eines Clips, einer Anschlussklemme oder einer anderen Art von Planarkontakt sein, z. B. ein Kontaktplättchen zur Erleichterung des Draht-Bondens mit dicken Kupferbonddrähten, wobei das Kontaktelement aus Kupfer, Silber, Aluminium oder einer entsprechenden Legierung hergestellt sein kann. Das Kontaktelement und/oder die Verbindungsoberfläche der elektronischen Komponente oder des Substrats kann mit einer zusätzlichen Metallschicht, z. B. mit einem Edelmetall wie Gold oder Silber, beschichtet werden, um den Verbindungsprozess zu verbessern.
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Die Modulkomponente kann eine Mehrzahl von Verbindungsschichten umfassen, beispielsweise eine Verbindungsschicht zwischen der elektrischen Verbindung und der elektronischen Komponente, eine Verbindungsschicht zwischen der elektrischen Verbindung und dem Substrat, eine Verbindungsschicht zwischen der elektronischen Komponente und dem Substrat und/oder eine Verbindungsschicht zwischen dem Substrat und der Grundplatte, wobei mindestens eine der Verbindungsschichten gesintert ist. Umfasst das Leistungsmodul mehr als ein Substrat, so kann die mindestens eine Verbindungsschicht, z. B. die mindestens eine gesinterte Verbindungsschicht, auch zwischen zwei Substraten gebildet sein.
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Mindestens eine, zwei, drei oder alle dieser Verbindungsschichten können gesinterte Verbindungsschichten sein, die gemustert sind. Die gesinterten Verbindungsschichten können auf die gleiche Weise gemustert sein, so dass die gemusterten gesinterten Verbindungsschichten in einer Draufsicht eine analoge Struktur oder eine analoge Konstruktion aufweisen. Verschiedene gesinterte Verbindungsschichten an unterschiedlichen Stellen können jedoch auch unterschiedlich gemustert sein, so dass in einer Draufsicht verschiedene gesinterte Verbindungsschichten an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Strukturen oder Konstruktionen aufweisen können. Es ist auch möglich, dass eine, zwei oder drei Verbindungsschicht(en) nicht gemusterte gesinterte Verbindungsschicht(en) und/oder nicht gesinterte Verbindungsschicht(en) ist/sind. Anstelle der gesinterten Verbindungsschicht(en) kann es sich bei der/den einen, zwei oder drei Verbindungsschicht(en), die nicht gemustert ist/sind, auch um übliche Verbindungsschicht(en) wie etwa Lötschicht(en) handeln.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die mindestens eine Verbindungsschicht zusammenhängend ist. Mit anderen Worten sind alle Teilbereiche der mindestens einen Verbindungsschicht miteinander verbunden. In einer Draufsicht kann die mindestens eine gemusterte gesinterte Verbindungsschicht eine kammartige, kreuzartige, sternartige oder zickzackartige Form haben, ist aber nicht darauf beschränkt. Lokal kann die mindestens eine Verbindungsschicht ein Streifenmuster aufweisen, wobei verschiedene Teilbereiche der Verbindungsschicht die Form vieler Streifen, z. B. paralleler Streifen, haben können, die miteinander verbunden sind.
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Die Teilbereiche der Fläche der gesinterten Verbindung, die nicht von dem Sintermaterial bedeckt sind, können lokale Zwischenräume oder Lücken zwischen verschiedenen Teilbereichen der Verbindungsschicht bilden. Solche Zwischenräume oder Lücken können als Rillen oder Gräben betrachtet werden, die bis zu mindestens einer Kante oder mehreren Kanten der gesinterten Verbindung reichen können. Mit anderen Worten können solche Zwischenräume oder Lücken von einer oder mehreren Außenkanten der Fläche der gesinterten Verbindung begrenzt werden.
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Es ist aber auch möglich, dass die mindestens eine Verbindungsschicht nicht zusammenhängend ist. In diesem Fall kann die mindestens eine Verbindungsschicht räumlich getrennte Teilbereiche umfassen. In einer Draufsicht können die räumlich getrennten Teilbereiche ein Streifen- oder Punktlayout bilden. Einige oder alle der räumlich getrennten Teilbereiche können gestreifte Formen gleicher oder unterschiedlicher Größe oder gepunktete Formen gleicher oder unterschiedlicher Größe aufweisen. Die gepunkteten Formen können jegliche geometrische Formen haben. Beispielsweise kann die gepunktete Form oder das gepunktete Muster mehrere Punkte mit runder, quadratischer, rechteckiger und/oder sechseckiger Form umfassen. Da die Verbindungsschicht räumlich getrennte Teilbereiche umfasst, gibt es Zwischenräume oder Lücken zwischen den getrennten Teilbereichen der Verbindungsschicht. Ähnlich wie bei einer zusammenhängenden Verbindungsschicht können die Zwischenräume oder Lücken mindestens zu einer Kante oder mehreren Kanten der gesinterten Verbindung reichen, d. h. einer Außenkante oder mehreren Außenkanten der Fläche der gesinterten Verbindung.
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In beiden Fällen, d. h. sowohl im Fall einer nicht zusammenhängenden Verbindungsschicht als auch im Fall einer zusammenhängenden Verbindungsschicht, können die nicht bedeckten Teilbereiche der Verbindungsfläche kanalartige Rillen bilden, die sich seitlich von einem inneren Teilbereich der Verbindungsfläche zu einer oder mehreren Außenkanten der Verbindungsfläche erstrecken können. Einige der nicht bedeckten Teilbereiche können sich neben der/den Kante(n) der Verbindungsfläche befinden. Die nicht bedeckten Teilbereiche können Leerräume sein, z. B. sind zumindest einige oder alle nicht bedeckten Teilbereiche mit einem gasartigen Medium wie Umgebungsluft gefüllt und können zum Entfernen von Gasen oder organischen Stoffen während des Sinterprozesses verwendet werden. Dies kann zu einer verbesserten Qualität der gesinterten Verbindungen führen. In einigen Fällen ist es aber auch möglich, dass die nicht bedeckten Teilbereiche mit einem elektrisch trennenden Material gefüllt sind, z. B. mit einem mechanisch flexiblen oder weichsteifen Trennmaterial zum Ausgleich der thermomechanischen Eigenspannung in dem Leistungsmodul, z. B. in den Verbindungsschichten. Es ist auch möglich, dass die nicht bedeckten Teilbereiche mit einem elektrisch leitfähigen Material gefüllt sind, das sich von einem Sintermaterial unterscheidet.
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Eine seitliche Breite, beispielsweise die durchschnittliche seitliche Breite, der Lücken, Zwischenräume oder kanalartigen Rillen kann größer als 0,1 mm, 0,2 mm, 0,5 mm, 0,7 mm oder größer als 1 mm sein, beispielsweise zwischen 0,1 mm und 3 mm, 0,5 mm und 3 mm, 1 mm und 3 mm oder zwischen 0,1 mm und 2 mm, 0,5 mm und 2 mm, oder zwischen 1 mm und 2 mm, ist aber nicht darauf beschränkt.
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Die Dicke der mindestens einen gemusterten gesinterten Verbindungsschicht kann bis zu 100 µm betragen, beispielsweise jeweils einschließlich zwischen 10 µm und 100 µm, zwischen 10 µm und 80 µm, zwischen 10 µm und 70 µm oder zwischen 20 µm und 50 µm. Wenn das Layout der gemusterten gesinterten Verbindungsschicht Streifen oder Punkte hat, kann die Breite der Streifen oder der Durchmesser oder die Seitenlänge der Punkte in einem Bereich von 0,1 mm und 2,0 mm liegen, beispielsweise in einem Bereich von 0,1 mm und 1,5 mm, 0,1 mm und 1,0 mm, 0,1 mm und 0,5 mm oder beispielsweise in einem Bereich von 0,3 mm und 2,0 mm, 0,5 mm und 2,0 mm, 1 mm und 2,0 mm oder 1,5 mm und 2,0 mm.
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Bei einer Substratbondverbindung, z. B. zwischen dem Substrat und einer Grundplatte, können die Lücken, Zwischenräume oder kanalartigen Rillen und/oder das Muster oder die Streifen oder Punkte eine Breite oder Länge oder einen Durchmesser von mehr als 2 mm, 3 mm, 5 mm oder sogar mehr als 10 mm haben. Die Dicke der Verbindungsschicht kann in diesem Fall größer als 100 µm, 150 µm oder 200 µm sein.
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Gemäß einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Leistungsmoduls, beispielsweise eines in dieser Offenbarung beschriebenen Leistungsmoduls, umfasst das Verfahren den Schritt zum Bilden der mindestens einen gesinterten Verbindungsschicht, wobei ein Sintermaterial auf eine Oberfläche oder auf Oberflächen einer oder beider Modulkomponenten beispielsweise durch Schablonendruck, Aufdampfen oder Sputtern unter Verwendung von Masken zur Strukturierung der mindestens einen Verbindungsschicht oder durch andere Verfahren zum Aufbringen des Sintermaterials aufgebracht wird. Dies kann auch durch die Strukturierung einer ursprünglich homogenen Schicht erreicht werden.
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Als Material für das Sintermaterial kann Silber oder Kupfer verwendet werden. Beispielsweise können Silber- oder Kupferpartikel in Nanogröße und/oder Mikrometergröße verwendet werden. Während des Sinterprozesses kann Druck aufgebracht werden, z. B. kann ein vorbestimmter Druck aufgebracht werden, um die Porosität oder Kompaktheit der mindestens einen Verbindungsschicht einzustellen. Ein solches Vorgehen kann als druckbeaufschlagtes Sinterverfahren oder druckloses Sinterverfahren bezeichnet werden. Mit anderen Worten kann der Sinterprozess unter hohem Druck, niedrigem Druck oder ohne Druck erfolgen. Die Aufbringung von Druck bezieht sich auf die erwünschte Porosität oder Kompaktheit der endgültigen gesinterten Schicht. Ein höherer Druck in dem Prozess führt in der Regel zu einer geringeren Porosität und folglich zu einer höheren mechanischen Festigkeit der gesinterten Schicht.
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Die vorliegende Offenbarung umfasst mehrere Aspekte eines Leistungsmoduls und eines Verfahrens zur Herstellung des Leistungsmoduls auf Grundlage ihrer Ausführungsformen und Beispiele. Jedes Merkmal, das in Bezug auf einen der Aspekte beschrieben wird, wird hier auch in Bezug auf den anderen Aspekt offenbart, selbst wenn das jeweilige Merkmal nicht ausdrücklich im Zusammenhang mit dem speziellen Aspekt erwähnt wird. Beispielsweise ist das in dieser Offenbarung beschriebene Verfahren auf die Herstellung jeglicher der hier beschriebenen Ausführungsformen des Leistungsmoduls gerichtet. Daher können Merkmale und Vorteile, die im Zusammenhang mit dem Leistungsmodul beschrieben werden, auch für das Verfahren verwendet werden und umgekehrt.
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Die Offenbarung ist zwar auch für verschiedene Modifikationen und alternative Formen geeignet, aber in den Figuren sind Einzelheiten beispielhaft dargestellt und im Detail beschrieben. Es sollte jedoch zu verstehen sein, dass die Offenbarung nicht auf die speziell beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele beschränkt sein soll. Vielmehr sollen alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abgedeckt sein, die in den von den beiliegenden Ansprüchen definierten Umfang der Offenbarung fallen.
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Die beiliegenden Figuren dienen dem besseren Verständnis. In den Figuren können Elemente mit gleicher Struktur und/oder Funktionalität den gleichen Bezugszeichen zugeordnet sein. Es versteht sich, dass die in den Figuren gezeigten Beispiele veranschaulichende Darstellungen und nicht unbedingt maßstabsgetreu sind.
- 1 zeigt ein allgemeines Konzept eines Leistungsmoduls gemäß einem Beispiel.
- 2A zeigt eine konkrete Realisierung eines Leistungsmoduls gemäß einem Beispiel.
- 2B, 2C, 3A, 3B, 3C, 3D, 3E und 3F zeigen verschiedene Layouts einer Verbindungsschicht gemäß unterschiedlichen Beispielen.
- 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, 4G, 5A, 5B, 5C, 6A, 6B und 6C zeigen ein Leistungsmodul gemäß einem anderen Beispiel und mehrere Simulationen unter Verwendung der „von Mises-Spannung“, die die Verteilung der thermomechanischen Spannung in verschiedenen Verbindungsschichten und in verschiedenen Modulkomponenten des Leistungsmoduls zeigen.
- 7A und 7B zeigen 2D-Simulationen, die sich auf einen Querschnitt entsprechend der Längsrichtung des Clips beziehen, wobei 7A Querschnitte des Leistungsmoduls an einer gemusterten gesinterten Verbindungsschicht mit einem Streifenlayout, das Streifen unterschiedlicher Größe umfasst, einschließlich der Spannungsverteilung, die durch die „von Mises-Spannung“ erhalten wird, zeigt, und 7B die Verteilung der thermomechanischen Spannung in einem Leistungsmodul zeigt, das eine Verbindungsschicht mit zwei Streifenlayouts unterschiedlicher Größe umfasst, wobei die thermomechanische Spannung entlang der in 7A gezeigten gestrichelten Linien erhalten wird.
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1 zeigt ein Leistungsmodul 10, das mindestens zwei Modulkomponenten M und mindestens eine Verbindungsschicht 5 umfasst. Die Modulkomponente M kann eine Grundplatte 1, ein Substrat 2, eine elektronische Komponente 3 oder eine elektrische Verbindung 4 sein. Die mindestens eine Verbindungsschicht 5 ist entlang einer vertikalen Richtung zwischen zwei Modulkomponenten M gebildet, um die beiden Modulkomponenten mechanisch zu verbinden. Die mindestens eine Verbindungsschicht 5 kann auch zur thermischen, in manchen Fällen auch zur elektrischen Verbindung der beiden Modulkomponenten dienen. Die mindestens eine Verbindungsschicht 5 kann eine Verbindungsschicht 5 in Form einer unteren Verbindungsschicht 5A, die zwischen der Grundplatte 1 und dem Substrat 2 gebildet ist, eine Verbindungsschicht 5 in Form einer ersten Verbindungsschicht 5B, die zwischen dem Substrat 2 und der elektronischen Komponente 3 gebildet ist, eine Verbindungsschicht 5 in Form einer zweiten Verbindungsschicht 5C, die zwischen der elektronischen Komponente 3 und der elektrischen Verbindung 4 gebildet ist, oder eine Verbindungsschicht 5 in Form einer dritten Verbindungsschicht 5D, die zwischen dem Substrat 2 und der elektrischen Verbindung 4 gebildet ist, sein.
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Wie beispielsweise in 2A gezeigt, verbindet die Verbindungsschicht 5A die Grundplatte 1 mechanisch und/oder thermisch mit dem Substrat 2. Die Verbindungsschicht 5B verbindet die elektronische Komponente 3 mechanisch und elektrisch und/oder thermisch mit dem Substrat 2. Die Verbindungsschicht 5C verbindet die elektronische Komponente 3 mechanisch und elektrisch und/oder thermisch mit der elektrischen Verbindung 4, die ein Clip, eine Anschlussklemme oder ein planares Kontaktelement sein kann. Die Verbindungsschicht 5D verbindet die elektrische Verbindung 4 mechanisch und elektrisch und/oder thermisch mit dem Substrat 2, beispielsweise wenn die elektrische Verbindung 4 ein Clip ist. Handelt es sich bei der elektrischen Verbindung 4 jedoch um eine Anschlussklemme oder ein planares Kontaktelement, kann die Verbindungsschicht 5D auch fehlen. Die Anschlussklemme oder das planare Kontaktelement kann auch durch die Verbindungsschicht 5C mechanisch und elektrisch mit der elektronischen Komponente 3 verbunden werden. Ferner kann die Anschlussklemme oder das planare Kontaktelement auch elektrisch mit einer Metallisierungsschicht 22 des Substrats 2 verbunden werden, beispielsweise durch Verwendung eines Bonddrahts.
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Exakt oder mindestens eine, zwei, drei oder alle der Verbindungsschichten 5, 5A, 5B, 5C, 5D können als gesinterte Verbindungsschicht gebildet sein, die eine gesinterte Verbindung zwischen zwei entsprechenden Modulkomponenten M, 1, 2, 3 und 4 bildet. Die gesinterte Verbindung kann so gemustert sein, dass in einer Draufsicht eine Fläche 50 der gesinterten Verbindung nur teilweise von einem Sintermaterial bedeckt ist. Die Fläche 50 kann eine Fläche 50A zwischen der Grundplatte 1 und dem Substrat 2, eine Fläche 50B zwischen der elektronischen Komponente 3 und dem Substrat 2, eine Fläche 50C zwischen der elektronischen Komponente 3 und der elektrischen Verbindung 4 oder eine Fläche 50D zwischen der elektrischen Verbindung 4 und dem Substrat 2 sein.
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Die Fläche 50A kann beispielsweise durch die Verbindungsoberflächen der Grundplatte 1 und des Substrats 2 definiert sein. Die Fläche 50B kann durch die Verbindungsoberflächen der elektronischen Komponente 3 und des Substrats 2 definiert sein. Die Fläche 50C kann durch die Verbindungsoberflächen der elektronischen Komponente 3 und der elektrischen Verbindung 4 definiert sein.
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Die Fläche 50D kann durch die Verbindungsoberflächen der elektrischen Verbindung 4 und des Substrats 2 definiert sein.
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Wenn eine der Verbindungsschichten 5, 5A, 5B, 5C und 5D gemustert ist, kann die entsprechende Verbindungsfläche 50, 50A, 50B, 50C oder 50D Teilbereiche 50U, 5AU, 5BU, 5CU oder 5DU umfassen, die nicht von dem Sintermaterial bedeckt sind. Wie in 1 und 2A gezeigt, kann jede der Verbindungsschichten 5A, 5B, 5C und 5D ein Streifenlayout aufweisen. In diesem Fall sind die Teilbereiche 5AU, 5BU, 5CU oder 5DU seitliche Zwischenräume zwischen den Streifen oder umgeben die Streifen. Die Teilbereiche 50U, 5AU, 5BU, 5CU und 5DU können von einer oder mehreren Außenkanten 50E, 5AE, 5BE, 5CE bzw. 5DE der Verbindungsfläche 50A, 50B, 50C, 50D begrenzt werden. Es ist auch möglich, dass eine oder einige der Verbindungsschichten 5A, 5B, 5C und 5D keine gesinterten und/oder gemusterten Verbindungsschichten sind.
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So können die nicht bedeckten Teilbereiche 50U kanalartige Rillen bilden, die sich von einem inneren Teilbereich der Verbindungsfläche 50 seitlich zu einer oder mehreren Außenkanten 50E der Verbindungsfläche 50 erstrecken. Die kanalartigen Rillen können zur Ableitung von Gasen oder organischen Stoffen während des Sinterprozesses genutzt werden. Auf der Verbindungsfläche 50 können die nicht bedeckten Teilbereiche 50U eine zusammenhängende Struktur bilden. In diesem Fall kann die Verbindungsfläche 50 ohne einen nicht bedeckten inneren Teilbereich gebildet sein, der vollständig von der Verbindungsschicht 5 umgeben ist. Die Verbindungsfläche 50 umfasst somit keinen inneren Teilbereich, in dem Gase oder organische Stoffe eingeschlossen sein können. Es ist aber auch möglich, dass die Verbindungsfläche 50 mindestens einen nicht bedeckten inneren Teilbereich umfasst, der - in seitlichen Richtungen - vollständig von der Verbindungsschicht 5 umgeben ist.
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Ferner können die nicht bedeckten Teilbereiche 50U als Kompensationsbereiche zur Verteilung oder Reduzierung der thermomechanischen Eigenspannung in dem Leistungsmodul dienen. Die nicht bedeckten Teilbereiche 50U, d. h. 5AU, 5BU, 5CU oder 5DU, können leer sein und mit Umgebungsluft gefüllt sein. In einigen Fällen ist es jedoch auch möglich, dass die nicht bedeckten Teilbereiche 50U teilweise mit einem elektrisch trennenden Material, z. B. mit einem Verkapselungsmaterial, gefüllt sind. Es ist auch möglich, dass die nicht bedeckten Teilbereiche 50U mit einem elektrisch trennenden Material gefüllt sind, z. B. mit einem mechanisch flexiblen, elastischen oder weichen, steifen Trennmaterial zur Kompensation der thermomechanischen Eigenspannung, oder mit einem elektrisch leitfähigen Material, das sich von einem Sintermaterial unterscheidet. Beispielsweise ist/sind mindestens eine oder alle der Verbindungsschichten 5A, 5B, 5C oder 5D gesinterte Silber- oder Kupferverbindungsschicht(en). Aufgrund der hohen mechanischen Festigkeit bieten gesinterte Silber- oder Kupferfügeverbindungen eine sehr hohe Zuverlässigkeit in Bezug auf thermomechanische Spannungen. Folglich haben gesinterte Silber- oder Kupferverbindungen ein hohes Potenzial, die Lebensdauer des Produkts erheblich zu verlängern.
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Gesinterte Silber- oder Kupferverbindungen weisen jedoch eine deutlich höhere Steifigkeit auf als gelötete Verbindungen. Dies kann aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Silber mit 18,9 ppm/K, Kupfer mit 16,4 ppm/K und von Materialien der Fügepartner wie Silizium mit 2,49 ppm/K und Aluminium mit 24 ppm/K zu höheren thermomechanischen Spannungen in der gesinterten Verbindung selbst, aber auch in den an der Fügeverbindung haftenden Fügepartnern und den entsprechenden Grenzflächen führen.
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So können wechselseitige Fügeverbindungen zwischen einer elektronischen Komponente 3, z. B. in Form eines elektronischen Chips, einer elektrischen Verbindung 4, z. B. in Form eines Clips, und dem Substrat 2 sowie in einer Verbindung zwischen dem Substrat 2 und der Grundplatte 1 aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Silizium und Kupfer hohen thermomechanischen Spannungen ausgesetzt sein. Außerdem sind auch vergleichsweise weiche Metallisierungsschichten, z. B. aus Aluminium, die als Kontaktmetallisierung der elektronischen Komponente 3 verwendet werden, zu berücksichtigen, die für hohe mechanische Spannungen nicht gut geeignet sind. Bei Lötverbindungen können diese Spannungen durch das vergleichsweise weiche Lotmaterial zwar teilweise kompensiert werden, gehen aber mit einer eingeschränkten Zuverlässigkeit der Lötverbindung selbst einher.
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Im Falle einer steiferen gesinterten Silber- oder Kupferverbindung wird eine deutlich höhere Zuverlässigkeit der Fügeverbindung selbst erreicht. Durch die Strukturierung der gesinterten Verbindungsschichten 5A, 5B, 5C und/oder 5D können mögliche Schwachstellen in den Verbindungsschichten 5A, 5B, 5C und/oder 5D aufgehoben werden, was zu einer Spannungsreduzierung führt, so dass die Risiken hinsichtlich Delamination oder sonstiger Schäden an der Kontaktmetallisierung, den Verbindungsschichten oder den Fügepartnern im Langzeitbetrieb minimiert werden können.
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2A ist eine perspektivische Ansicht eines Leistungsmoduls 10 gemäß einer Ausführungsform. Das Leistungsmodul 10 umfasst vier Modulkomponenten, nämlich die Grundplatte 1, das Substrat 2, die elektronische Komponente 3 und die elektrische Verbindung 4. Das Leistungsmodul 10 umfasst eine untere gesinterte Verbindungsschicht 5A, die direkt an die Grundplatte 1 und das Substrat 2 angrenzt. So ist die Grundplatte 1 über die untere gesinterte Verbindungsschicht 5A mechanisch mit dem Substrat 2 verbunden.
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Das Substrat 2 hat eine erste Metallisierungsschicht 21 und eine zweite Metallisierungsschicht 22, die durch einen Trenngraben 2T räumlich und elektrisch von der ersten Metallisierungsschicht 21 getrennt ist. Die erste und zweite Metallisierungsschicht 21 und 22 sind unterschiedlichen elektrischen Polaritäten/Spannungspotentialen des Leistungsmoduls 10 zugeordnet. Das Substrat 2 umfasst ferner eine rückseitige Metallisierung 23 und eine Isolierschicht 20, wobei die Isolierschicht 20 entlang der vertikalen Richtung zwischen der rückseitigen Metallisierung 23 und der ersten und zweiten Metallisierungsschicht 21 und 22 angeordnet ist. In dem Trenngraben 2T kann die Isolierschicht 20 freigelegt sein. Die erste und zweite Metallisierungsschicht 21 und 22 und die rückseitige Metallisierung können aus dem gleichen Material oder aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein. Die Substratmetallisierungen 21, 22 und/oder 23 können aus Kupfer oder Aluminium oder einer entsprechenden Legierung hergestellt sein. Eine Beschichtung mit einer Metallschicht wie Nickel, Gold, Silber oder einem anderen Metall ist auch möglich. Die Isolierschicht 20 kann aus keramischem Material wie Si3N4, AIN, Al2O3 oder Harz hergestellt sein, das einen anorganischen Füllstoff umfassen kann.
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Zwischen dem Substrat 2 und der elektronischen Komponente 3 ist eine erste gesinterte Verbindungsschicht 5B angeordnet. So kann die elektronische Komponente 3 durch die erste gesinterte Verbindungsschicht 5B elektrisch und thermisch mit der ersten Metallisierungsschicht 21 verbunden werden. Die elektronische Komponente 3 kann ein Halbleiterchip sein, ist aber nicht darauf beschränkt.
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Eine zweite gesinterte Verbindungsschicht 5C ist zwischen der elektronischen Komponente 3 und der elektrischen Verbindung 4 gebildet. In 2A ist die elektrische Verbindung 4 ein Clip. Eine dritte gesinterte Verbindungsschicht 5D wird zwischen dem Substrat 2 und der elektrischen Verbindung 4 gebildet.
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Die Begriffe „erste“, „zweite“, „dritte“ und „vierte“ dienen in dieser Offenbarung zur Unterscheidung ähnlicher Teile, geben aber nicht unbedingt eine spezielle Reihenfolge oder Abfolge an. Beispielsweise kann die untere gesinterte Verbindungsschicht 5A auch als vierte gesinterte Verbindungsschicht 5A bezeichnet werden. Es sollte zu verstehen sein, dass diese Begriffe gegebenenfalls austauschbar sind.
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Gemäß dieser Offenbarung sind mindestens eine, zwei, drei oder alle der Verbindungsschichten 5A, 5B, 5C und 5D gemusterte gesinterte Verbindungsschichten. In 2A sind nur die gesinterten Verbindungsschichten 5A, 5C und 5D gemustert. Abweichend davon ist es auch möglich, dass exakt eine oder exakt drei der gesinterten Verbindungsschichten 5A, 5B, 5C und 5D gemustert ist/sind, während die restliche(n) Verbindungsschicht(en) nicht gemustert ist/sind.
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Gemäß 2A sind die zweite gesinterte Verbindungsschicht 5C und die dritte gesinterte Verbindungsschicht 5D gemustert und haben ein Streifenlayout, das eine Mehrzahl von Streifen umfasst. Die Streifen sind, wie beispielsweise in 2B gezeigt, parallel zu dem Trenngraben 2T, d. h. rechtwinklig zur Haupterstreckungsrichtung des Clips, ausgerichtet. Daneben ist es, wie in 2C gezeigt, auch möglich, dass die zweite gesinterte Verbindungsschicht 5C und die dritte gesinterte Verbindungsschicht 5D eine Mehrzahl von Streifen umfassen, die rechtwinklig zu dem Trenngraben 2T, d. h. parallel zur Haupterstreckungsrichtung des Clips, ausgerichtet sind.
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2B und 2C zeigen Draufsichten auf die gemusterte gesinterte Verbindungsschicht 5. Jede der gemusterten gesinterten Verbindungsschichten 5A, 5B, 5C und 5D kann ein Streifenlayout haben, das eine Mehrzahl paralleler Streifen umfasst. Im Falle der Verbindungsschichten 5C und 5D können die Streifen parallel oder rechtwinklig zu dem Trenngraben 2T ausgerichtet verlaufen. Im Falle der Verbindungsschichten 5A und 5B ist der Trenngraben 2T nicht vorhanden.
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Die Streifen werden durch getrennte Teilbereiche der Verbindungsschicht 5 gebildet. Diese Teilbereiche bedecken die Verbindungsfläche 50 teilweise. Mit anderen Worten entsprechen diese Teilbereiche Teilflächen der Verbindungsflächen 50A, 50B, 50C oder 50D, die von einem Sintermaterial bedeckt sind. In 2B und 2C haben die Teilbereiche der Verbindungsschicht 5A, 5B, 5C oder 5D eine seitliche Breite W. Die Breite W kann zwischen 0,1 mm und 2,0 mm oder größer sein.
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Die Verbindungsfläche 50 umfasst Teilbereiche oder Teilflächen 50U, die nicht von dem Sintermaterial bedeckt sind. Die Teilbereiche oder Teilflächen 50U werden von zwei gegenüberliegenden Kanten 50E der entsprechenden Fläche 50 begrenzt. Die nicht bedeckten Teilbereiche oder Teilflächen 50U haben eine seitliche Breite S. Die Breite S kann größer als 0,1 mm, 0,3 mm oder größer als 0,5 mm sein. Beispielsweise ist die Breite S gleich, kleiner oder größer als die Breite W. Gemäß 2B und 2C bilden die nicht bedeckten Teilbereiche oder Teilflächen 50U kanalartige Rillen, die sich seitlich von einer Außenkante über einen inneren Teilbereich zu einer anderen gegenüberliegenden Außenkante der Verbindungsfläche 50 erstrecken.
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3A zeigt eine Draufsicht auf die gemusterte gesinterte Verbindungsschicht 5, die eine der Verbindungsschichten 5A, 5B, 5C und 5D sein kann. Jede der gemusterten gesinterten Verbindungsschichten 5A, 5B, 5C und 5D kann ein sogenanntes Punktlayout haben, das eine Mehrzahl von Punkten umfasst. In 3A weisen die Teilbereiche der gesinterten Verbindungsschicht 5 und die nicht bedeckten Teilbereiche 50U der Verbindungsfläche 50 eine unregelmäßige Struktur auf. Die Punkte können eine runde, quadratische, rechteckige, sechseckige oder andere geometrische Form haben. Die Punkte können gleiche oder unterschiedliche geometrische Größen haben. Ein Durchmesser oder eine Seitenlänge der Punkte kann zwischen 0,1 mm und 2,0 mm groß oder größer sein. Die Punkte können gleichmäßig oder ungleichmäßig auf der Verbindungsfläche 50 verteilt sein.
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Ein weiteres Beispiel für eine nicht zusammenhängende Verbindungsschicht 5, bei der es sich um eine der Verbindungsschichten 5A, 5B, 5C und 5D handeln kann, ist in 3B gezeigt. Eine solche Verbindungsschicht kann eine Mehrzahl von Punkten und eine Mehrzahl von Streifen umfassen.
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3C, 3D, 3E und 3F zeigen beispielhafte Layouts einer zusammenhängenden Verbindungsschicht 5A, 5B, 5C oder 5D, die - gemäß 3C - eine kreuz- oder zaunartige Form, - gemäß 3D - eine kammartige Form, - gemäß 3E - eine zickzack- oder mäanderartige Form und gemäß 3F eine sternartige Form aufweist.
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4A zeigt das Leistungsmodul 10 gemäß 2A ohne die Grundplatte 1 und die Verbindungsschicht 5A. 4B, 4C und 4D beschreiben eine durch „von Mises-Spannung“ erhaltene Simulation, die die Verteilungen der thermomechanischen Spannung innerhalb der Modulkomponenten 2, 3 und 4 des Leistungsmoduls 10 bei Vorhandensein der nicht gemusterten ersten Verbindungsschichten 5B, 5C und 5D gemäß 4A zeigt. 4E, 4F, 4G, 5A, 5B, 5C, 6A, 6B und 6C beschreiben mehrere Simulationen, die die Verteilungen der thermomechanischen Spannung innerhalb der Modulkomponenten 2, 3 und 4 des Leistungsmoduls 10 bei Vorhandensein der nicht gemusterten ersten Verbindungsschicht 5B und der gemusterten gesinterten Verbindungsschichten 5C und 5D gemäß 4A zeigen. Die Simulationen wurden für die Hälfte des Clips 4 durchgeführt.
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4B zeigt die Ergebnisse einer Simulation eines Aufbaus des Leistungsmoduls 10, das die elektronische Komponente 3 umfasst, die ein Chip ist, wobei die elektronische Komponente 3 mit der ersten Metallisierungsschicht 21 des Substrats 2 verbunden ist. Die zweite Metallisierungsschicht 22 des Substrats und die Chipoberfläche sind elektrisch miteinander verbunden, indem die elektrische Verbindung 4 ein Kupferclip ist, der einerseits mit einer Oberfläche der zweiten Metallisierungsschicht 22 und andererseits mit einem oberseitigen Kontakt der elektronischen Komponente 3 durch Silbersintern verbunden ist.
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Wie in 4B zu sehen ist, kommt es bei nicht gemusterten gesinterten Verbindungsschichten 5B, 5C und 5D zu einer starken Spannungsakkumulation nicht nur an dem Chip und dem Clip. 4C und 4D zeigen lokale Spannungsmaxima an den Kanten der gesinterten Verbindungsschichten 5B und 5C. Diese große Spannungsakkumulation kann zu Beschädigungen oder zu einer Delaminierung der Kontaktmetallisierung aus z. B. weichem Aluminium sowie zu Beschädigungen der gesinterten Schicht führen.
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4C zeigt - in einer Draufsicht - eine berechnete Verteilung der thermomechanischen Spannung auf der Seite der elektronischen Komponente 3, nämlich die Spannungsverteilung an der Grenzfläche zwischen der gesinterten Verbindungsschicht 5C und dem Clip 4. 4D zeigt - in einer Draufsicht - eine berechnete Verteilung der thermomechanischen Spannung auf der Seite des Substrats 2, hier an der Grenzfläche zwischen der gesinterten Verbindungsschicht 5D und dem Clip 4.
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Wie in 4B gezeigt, werden nicht nur in den gesinterten Verbindungen, sondern auch in den Fügepartnern große Spannungen erzeugt. Eine Verbesserung der mechanischen Festigkeit des Aufbaus kann durch die Verwendung einer härteren und/oder stärkeren Kontaktmetallisierung des Chips oder durch eine notwendige Spannungsreduzierung in der Fügeverbindung erreicht werden, was zu einer verbesserten Zuverlässigkeit in Bezug auf die thermischen Zyklen führt. Es hat sich gezeigt, dass die Spannungsreduzierung in den gesinterten Fügeverbindungen sehr effektiv ist bezüglich der Erhöhung der Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls in Bezug auf thermische Zyklen.
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Die Spannungsreduzierung wird durch eine gemusterte gesinterte Verbindung erreicht. Während die in 4B-4D gezeigten Fügeverbindungen des Kupferclips, der die Chipoberfläche und die Substratoberfläche miteinander verbindet, durch homogene Schichten aus gesintertem Silber hergestellt wurden, schlägt die vorliegende Offenbarung eine Strukturierung solcher homogenen Schichten vor. In diesem Fall ist die Verbindungsfläche nicht vollständig mit einem Sintermaterial wie etwa Silber bedeckt.
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Wie in 4A gezeigt, umfassen die Verbindungsschichten 5C und 5D mehrere Streifen aus gesintertem Silber, die durch mehrere Zwischenräume unterbrochen sind. Bei diesen Zwischenräumen handelt es sich um Teilbereiche 5CU und 5DU der Verbindungsflächen 50C bzw. 50D, die nicht von dem Sintermaterial bedeckt sind und von einer oder mehreren Außenkanten 5CE oder 5DE der Verbindungsflächen 50C bzw. 50D begrenzt werden (siehe auch 2B oder 2C).
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4E zeigt die Ergebnisse von Finite-Elemente(FEM)-Simulationen mit dem in 4A gezeigten Aufbau. Abgesehen von den gemusterten Strukturen der gesinterten Verbindungsschichten 5C und 5D entspricht der Aufbau dem für die Spannungssimulationen in 4B gezeigten verwendeten Aufbau. Hier wird ein Streifenlayout gemäß 2B verwendet, wobei die Streifen parallel zum Graben 2T oder rechtwinklig zur Hauptrichtung des Clips verlaufen.
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Die gemusterte Verbindungsschicht 5C oder 5D umfasst drei Streifen aus Sintermaterial mit einer Breite von 500 µm, die durch nicht bedeckte Teilbereiche 5CU oder 5DU getrennt sind, die Lücken oder Zwischenräume mit einer Breite von 200 µm bilden. Die Streifen haben eine Längsrichtung rechtwinklig zu einer Hauptausrichtung des Clips, d. h. der elektrischen Verbindung 4, oder parallel zu dem Trenngraben 2T. Die Ergebnisse zeigen eine starke Reduzierung der Spannungen in der gesinterten Fügeverbindung für die gemusterte Struktur im Vergleich zu einer homogenen gesinterten Schicht, nämlich etwa dreimal weniger. Dabei werden die Spannungen an beiden Fügepartnern und auch in der gesinterten Schicht stark reduziert. Dadurch ist eine deutliche Verbesserung der Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls 10 in Bezug auf zyklische Temperaturwechsel zu erwarten.
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Ähnlich wie in 4C und 4D zeigt 4F - in einer Draufsicht - eine berechnete Verteilung der thermomechanischen Spannung an der Grenzfläche zwischen der gesinterten Verbindungsschicht 5C und dem Clip 4 und zeigt 4G - in einer Draufsicht - eine berechnete Verteilung der thermomechanischen Spannung an der Grenzfläche zwischen der gesinterten Verbindungsschicht 5D und dem Clip 4.
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5A, 5B und 5C entsprechen im Wesentlichen 4E, 4F bzw. 4G. Im Gegensatz zu diesen sind die gesinterten Verbindungsschichten 5C und 5D gemäß 5A, 5B und 5C jedoch in Form von Streifen gebildet, die parallel zur Haupterstreckungsrichtung des Clips, d. h. der elektrischen Verbindung 4, oder orthogonal zur Haupterstreckungsrichtung des Trenngrabens 2T ausgerichtet sind. Außerdem haben die verschiedenen Streifen unterschiedliche Breiten. Dieses Layout führt zu einer anderen Verteilung der thermomechanischen Spannungen in den gesinterten Verbindungsschichten 5C und 5D als bei der Verwendung einer homogenen gesinterten Verbindungsschicht. Hier sind zwar die lokalen Spannungsmaxima an den Kanten des Clips im Vergleich zum homogenen Fall stärker, aber die Spannung in der Mitte der gesinterten Verbindung ist geringer. Es ist jedoch zu beachten, dass die auftretende Spannung zwar konzentriert, aber auch auf die vergleichsweise kleineren Flächen der Streifen beschränkt ist.
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6A, 6B und 6C entsprechen im Wesentlichen 5A, 5B und 5C bzw. 4E bis 4G. Im Gegensatz zu diesen sind die gemusterten gesinterten Verbindungsschichten 5C und 5D gemäß 6A, 6B und 6C jedoch als Punkte gebildet, d. h. sie sind punktförmig (siehe auch 3A als Beispiel).
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In 4E bis 5C bilden die nicht bedeckten Teilbereiche 5CU bzw. 5DU kanalartige Rillen, die voneinander getrennt sind und sich jeweils seitlich von einer Außenkante zu einer anderen gegenüberliegenden Außenkante der Verbindungsfläche 50C bzw. 50D erstrecken. Im Gegensatz dazu bilden in 6A, 6B und 6C die nicht bedeckten Teilbereiche 5CU bzw. 5DU kanalartige Rillen, die ein verbundenes Netz bilden, d. h. sie sind zusammenhängend. Die verbundenen kanalartigen Rillen des Netzes werden von allen Außenkanten 5CE und 5DE der entsprechenden Verbindungsfläche 50C bzw. 50D begrenzt (siehe auch 3A und 3B).
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Im Vergleich zu 5A, 5B und 5C wird bei dem gemäß 6A, 6B und 6C beschriebenen Aufbau sogar noch weniger Sintermaterial benötigt, da das Sintermaterial nur in Bereichen der Punkte oder punktartigen Strukturen vorhanden ist, die durch Lücken in horizontaler und vertikaler Richtung voneinander getrennt sind. 6A zeigt die Ergebnisse von Finite-Elemente-Simulationen an einem Clip, bei dem die gesinterten Verbindungen als Flächen mit mehreren Punkten gebildet sind. Dieses Layout führt auch zu einer allgemeinen Spannungsreduzierung im Vergleich zur Verwendung homogener gesinterter Schichten. Obwohl die lokalen Spannungsmaxima an den Kanten des Clips im Vergleich zum homogenen Fall stärker sind, wird die Spannung in der Mitte der gesinterten Verbindung reduziert. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass sich die auftretenden Spannungen auf die vergleichsweise kleineren Flächen der Punkte konzentrieren.
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Es hat den Anschein, dass ein Streifenlayout mit der in 4E gezeigten Ausrichtung der Streifen für die Fügeverbindungen des Clips am besten geeignet sein könnte. Dennoch sind alternative Layouts wie Punktmuster oder Streifenlayouts mit anderen Ausrichtungen auch gut geeignet für die Fügeverbindungen von Anschlussklemmen oder anderen Arten von Planarkontakten auf der Oberfläche von Chips oder Substraten. Hier sind Layouts möglich, bei denen eine homogene Sinterschicht nur teilweise durch Rillen unterbrochen ist, wie sie z. B. in stern- oder kreuzartiger Form oder in anderen in 3A bis 3F beispielhaft dargestellten Formen vorkommen.
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Ferner kann durch die Wahl geeigneter Breiten und/oder Abstände der Streifen eine zusätzliche Verbesserung des Streifenlayouts erreicht werden. 7A zeigt eine 2D-Simulation der Spannungsverteilung, die sich auf einen Querschnitt des auf das Substrat 2 gesinterten Clips 4 bezieht. 7B zeigt die Spannungsverteilung entlang einer Linie innerhalb der gesinterten Schicht (gestrichelte Linie in 7A). Die gemusterte gesinterte Verbindungsschicht weist ein Streifenlayout auf, das Streifen parallel zu dem Trenngraben 2T oder rechtwinklig zur Hauptausrichtung des Clips 4 umfasst, wobei einerseits eine Streifenbreite W = W1 und eine Spaltbreite S von 100 µm und andererseits eine Streifenbreite W = W2 und eine Spaltbreite S von 200 µm gewählt wurden. In 7B ist zu Vergleichszwecken auch die Verteilung der thermomechanischen Spannung T in einer nicht gemusterten homogenen Verbindungsschicht, also mit einem einzigen „Streifen“ mit der maximalen Breite W = W0, gezeigt.
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Die in 7B gezeigten Spannungskurven werden in einer zweidimensionalen Simulation in der Mitte der gesinterten Verbindungsschicht 5D, also entlang der gestrichelten Linien in 7A, bestimmt.
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In 7A ist beispielhaft die Spannungsverteilung auf der Substratseite gezeigt. 7B zeigt auch die Spannungsverteilung auf der Substratseite, d. h. in der Verbindungsschicht 5D zwischen dem Clip 4 und dem Substrat 2, als Funktion von D, das den Abstand von der Streifenkante angibt. Es wurde festgestellt, dass eine stärkere Spannungsreduzierung bei einer kleineren Streifenbreite W = W1 und einem kleineren Abstand erreicht wird. Die Ergebnisse zeigen, dass die kleinere Streifenbreite von 100 µm eine noch größere Spannungsreduzierung bewirkt als die Streifenbreite und der Abstand von 200 µm. Folglich ist die Verwendung von Streifen mit kleiner Breite vorteilhaft im Hinblick auf die Reduzierung thermomechanischer Spannungen in einer gemusterten gesinterten Verbindung.
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Ähnlich gemusterte gesinterte Verbindungsschichten 5B und 5A können für die Fügeverbindungen zwischen dem Substrat 2 und der elektronischen Komponente 3 bzw. zwischen dem Substrat 2 und der Grundplatte 1 verwendet werden. Auch für diese Fügeverbindungen ist eine verbesserte Zuverlässigkeit der Verbindungsschichten 5A und 5B bzw. des Leistungsmoduls 10 in Bezug auf thermomechanische Spannungen zu erwarten.
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Weitere Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden dargestellt, wobei die im Folgenden verwendete Nummerierung dazu dient, den Bezug auf Merkmale anderer Aspekte zu erleichtern.
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Aspekt 1: Leistungsmodul, das mindestens zwei Modulkomponenten und mindestens eine Verbindungsschicht umfasst, wobei die mindestens eine Verbindungsschicht entlang einer vertikalen Richtung zwischen den mindestens zwei Modulkomponenten gebildet ist, um die mindestens zwei Modulkomponenten mechanisch zu verbinden. Die mindestens eine Verbindungsschicht ist eine gesinterte Verbindungsschicht, die eine gesinterte Verbindung zwischen den mindestens zwei Modulkomponenten bildet. Die mindestens eine Verbindungsschicht ist gemustert und in einer Draufsicht ist eine Fläche der gesinterten Verbindung nur teilweise von einem Sintermaterial bedeckt, wobei Teilbereiche der Fläche, die nicht von dem Sintermaterial bedeckt sind, von einer oder mehreren Außenkanten der Fläche begrenzt werden. Ein Verhältnis der Oberflächen der nicht bedeckten Teilbereiche zur entsprechenden Fläche der gesinterten Verbindung liegt zwischen jeweils einschließlich 10 % und 75 %.
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Aspekt 2: Leistungsmodul nach Aspekt 1, wobei die nicht bedeckten Teilbereiche der Fläche kanalartige Rillen bilden, die sich seitlich von einem inneren Teilbereich der Fläche zu einer oder mehreren Außenkanten der Fläche erstrecken.
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Aspekt 3: Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei zumindest einige oder alle der nicht bedeckten Teilbereiche der Fläche Leerräume sind, die mit Luft oder mit einem Isoliermaterial oder mit einem leitfähigen Material, das sich von einem Sintermaterial unterscheidet, gefüllt sind.
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Aspekt 4: Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die mindestens eine Verbindungsschicht zusammenhängend ist.
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Aspekt 5: Leistungsmodul nach dem vorhergehenden Aspekt, wobei die mindestens eine Verbindungsschicht eine kammartige, kreuzartige, sternartige, zickzackartige oder mäanderartige Form aufweist.
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Aspekt 6: Leistungsmodul nach einem der Aspekte 1 bis 3, wobei die mindestens eine Verbindungsschicht nicht zusammenhängend ist.
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Aspekt 7: Leistungsmodul nach dem vorhergehenden Aspekt, wobei die mindestens eine Verbindungsschicht räumlich getrennte Teilbereiche umfasst, die ein Streifen- oder Punktmuster bilden.
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Aspekt 8: Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die mindestens zwei Modulkomponenten Elemente aus einer Gruppe sind, die umfasst: eine Grundplatte, ein Substrat, eine elektronische Komponente und eine elektrische Verbindung.
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Aspekt 9: Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Aspekte, umfassend mindestens drei Modulkomponenten, nämlich ein Substrat, eine elektronische Komponente und eine elektrische Verbindung, wobei das Substrat eine erste Metallisierungsschicht und eine zweite Metallisierungsschicht hat, die von der ersten Metallisierungsschicht durch einen Trenngraben räumlich getrennt ist. Die elektronische Komponente ist ein Halbleiterchip, der über eine Verbindungsschicht in Form einer ersten Verbindungsschicht elektrisch und thermisch mit der ersten Metallisierungsschicht verbunden ist. Die elektrische Verbindung ist ein Metallclip oder ein Planarkontakt oder eine Anschlussklemme, die über eine Verbindungsschicht in Form einer zweiten Verbindungsschicht elektrisch mit der elektronischen Komponente verbunden ist. Mindestens eine oder beide der Verbindungsschichten ist/sind gemusterte gesinterte Verbindungsschichten.
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Aspekt 10: Leistungsmodul nach Aspekt 9, wobei die elektrische Verbindung ein Metallclip ist und durch eine Verbindungsschicht in Form einer dritten Verbindungsschicht elektrisch mit der zweiten Metallisierungsschicht verbunden ist. Mindestens eine der zweiten Verbindungsschicht und der dritten gesinterten Verbindungsschicht ist eine gemusterte gesinterte Verbindungsschicht.
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Aspekt 11: Leistungsmodul nach Aspekt 10, wobei die mindestens eine der zweiten Verbindungsschicht und dritten gesinterten Verbindungsschicht ein Streifenlayout hat, das eine Mehrzahl von Streifen umfasst, wobei die Streifen parallel oder rechtwinklig zu dem Trenngraben ausgerichtet sind.
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Aspekt 12: Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Aspekte, umfassend mindestens vier Modulkomponenten, nämlich eine Grundplatte, ein Substrat, eine elektronische Komponente und eine elektrische Verbindung, wobei eine Verbindungsschicht in Form einer unteren gesinterten Verbindungsschicht zwischen der Grundplatte und dem Substrat gebildet ist. Eine Verbindungsschicht in Form einer ersten Verbindungsschicht ist zwischen dem Substrat und der elektronischen Komponente gebildet. Eine Verbindungsschicht in Form einer zweiten Verbindungsschicht ist zwischen der elektronischen Komponente und der elektrischen Verbindung gebildet. Mindestens eine, zwei oder alle der Verbindungsschichten ist/sind gemusterte gesinterte Verbindungsschichten.
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Aspekt 13: Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die mindestens eine Verbindungsschicht eine gesinterte Silber- oder Kupferverbindungsschicht ist.
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Aspekt 14: Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die nicht bedeckten Teilbereiche eine seitliche Breite (W) von mehr als 0,1 mm haben.
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Aspekt 15: Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei zum Bilden der mindestens einen gesinterten Verbindungsschicht ein Sintermaterial auf eine oder mehrere Oberflächen von einer oder von beiden der mindestens zwei Modulkomponenten aufgebracht wird und während des Bildens der mindestens einen gesinterten Verbindungsschicht ein vorbestimmter Druck zur Einstellung der Porosität oder Kompaktheit der mindestens einen Verbindungsschicht aufgebracht wird.
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Die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen stellen beispielhafte Ausführungsformen der verbesserten Anordnung für ein Leistungsmodul dar; sie bilden daher keine vollständige Liste aller Ausführungsformen gemäß der verbesserten Anordnung für das Leistungsmodul. Tatsächliche Anordnungen des Leistungsmoduls können von den vorstehend beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen abweichen.
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Die Offenbarung beansprucht die Priorität der europäischen Patentanmeldung
EP 21 183 737.2 .
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Bezugszeichen
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- 10
- Leistungsmodul
- M
- Modulkomponente
- 1
- Modulkomponente; Grundplatte
- 2
- Modulkomponente; Substrat
- 20
- Isolierschicht
- 21
- Erste Metallisierungsschicht
- 22
- Zweite Metallisierungsschicht
- 23
- rückseitige Metallisierung
- 2T
- Trenngraben
- 3
- Modulkomponente; elektronische Komponente
- 4
- Modulkomponente; elektrische Verbindung
- 5
- Verbindungsschicht
- 5A
- untere/vierte Verbindungsschicht; Verbindungsschicht zwischen Grundplatte und Substrat
- 5B
- erste Verbindungsschicht; Verbindungsschicht zwischen Substrat und elektronischer Komponente
- 5C
- zweite Verbindungsschicht; Verbindungsschicht zwischen elektronischer Komponente und elektrischer Verbindung
- 5D
- dritte Verbindungsschicht; Verbindungsschicht zwischen elektrischer Verbindung und Substrat
- W, W0, W1, W2
- Breite der Teilbereiche der Verbindungsschicht
- 50
- Verbindungsfläche
- 50A
- Verbindungsfläche zwischen Grundplatte und Substrat
- 50B
- Verbindungsfläche zwischen Substrat und elektronischer Komponente
- 50C
- Verbindungsfläche zwischen elektronischer Komponente und elektrischer Verbindung
- 50D
- Verbindungsfläche zwischen Substrat und elektrischer Verbindung
- 50U
- nicht bedeckter Teilbereich der Verbindungsfläche 50
- 5AU
- nicht bedeckter Teilbereich der Verbindungsfläche 50A
- 5BU
- nicht bedeckter Teilbereich der Verbindungsfläche 50B
- 5CU
- nicht bedeckter Teilbereich der Verbindungsfläche 50C
- 5DU
- nicht bedeckter Teilbereich der Verbindungsfläche 50D
- S
- Breite der kanalartigen Rillen, die von Teilbereichen der nicht bedeckten Teilbereich gebildet werden
- 50E
- Außenkante der Verbindungsfläche 50
- 5AE
- Außenkante der Verbindungsfläche 50A
- 5BE
- Außenkante der Verbindungsfläche 50B
- 5CE
- Außenkante der Verbindungsfläche 50C
- 5DE
- Außenkante der Verbindungsfläche 50D
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
-
- US 2019043791 [0003]
- JP 2014029964 A [0003]
- US 2012211764 A1 [0004]
- EP 211837372 [0095]