• 专利附录
  • 专利说明
  • 权利要求
  • 类似技术
  • 同族专利
  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    DieErfindung beschreibt ein Verfahren zur inneren elektrischen Isolationeines Substrats eines Leistungshalbleitermoduls mit einem rahmenartigen isolierendenGehäusemit Deckel und mit einem isolierenden Substrat. Das Substrat weistLeiterbahnen und hierauf angeordnete Leistungshalbleiterbauelementeauf. Die Leistungshalbleiterbauelemente sind mit Anschlusselementen,weiteren Leiterbahnen oder Leistungshalbleiterbauelementen (30)mittels Bondverbindungen verbunden. Das Verfahren ist gekennzeichnetdurch die Schritte:a) Ausbilden des Substrats; b) Überziehendes Substrats mit einer zähflüssigen dielektrischenIsolationsmasse in einem Gießverfahrenoder Tauchverfahren; c) Einleiten der Vernetzung der Isolationsmasse;d) in hängenderPosition des Substrats Abtropfen von überschüssiger Isolationsmasse undsicherem Umhüllender Bondverbindungen mit Isolationsmasse; e) Anordnen des Substratsin dem Gehäusedes Leistungshalbleitermoduls.
    公开号:DE102004021927A1
    申请号:DE102004021927
    申请日:2004-05-04
    公开日:2005-12-01
    发明作者:Karlheinz Augustin；Christian Göbl
    申请人:Semikron GmbH and Co KG；Semikron Elektronik GmbH and Co KG；
    IPC主号:H01L21-56
    专利说明:
    [0001] DieErfindung beschreibt ein Verfahren zur inneren elektrischen Isolationeines Substrats fürein Leistungshalbleitermodul. Derartige Leistungshalbleitermodulebestehen aus einem rahmenartigen isolierenden Kunststoffgehäuse mitDeckel und einem isolierenden Substrat. Auf dem Substrat ist mindestenseine Leiterbahn und hierauf mindestens ein Leistungshalbleiterbauelementangeordnet. Dieses Leistungshalbleiterbauelement ist mit Anschlusselementen,weiteren Leiterbahnen und/oder weiteren Leistungshalbleiterbauelementenschaltungsgerecht verbunden. Den Stand der Technik derartiger modulinternerVerbindungen bilden Bondverbindungen.
    [0002] DenStand der Technik der inneren Isolation derartiger Leistungshalbleitermodulebildet eine dielektrische Isolationsmasse, die als sog. Hartverguss oderals sog. Weichverguss oder als Kombination aus beiden ausgebildetist. Hartverguss wird auf Grund seiner chemischen Zusammensetzungund der damit verbundenen gesundheitlichen Gefährdung zunehmend weniger eingesetzt.Als Weichverguss haben sich verschieden ausgebildete Silikonkautschukvariantenals Stand der Technik durchgesetzt.
    [0003] Häufig werdenzweikomponentige Silikonkautschvarianten verwendet, die erst kurzvor der Verfüllungdes Leistungshalbleitermoduls in einer geeigneten Vorrichtung gemischtwerden. Die Verfüllungvon Leistungshalbleitermodulen und damit deren innere Isolationwird bis zu einer Füllhöhe durchgeführt, dieein sicheres Bedecken aller relevanten zu isolierenden Komponentensicherstellt.
    [0004] Nachteiligan der genannten inneren Isolation von Leistungshalbleitermodulennach dem Stand der Technik ist, dass der hohe Anteil der Vergussmasse,der nicht zur Isolation notwendig ist, sondern ausschließlich aufGrund einer homogenen Verfüllungim Inneren des Leistungshalbleitermoduls angeordnet ist.
    [0005] Dervorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein Verfahrenzur inneren elektrischen Isolation eines Substrats für ein Leistungshalbleitermodulvorzustellen, das bei gleich bleibenden elektrischen Eigenschaftendie Menge der eingesetzten Isolationsmasse zumindest halbiert.
    [0006] DieseAufgabe wird gelöstdurch eine Anordnung nach dem Anspruch 1, spezielle Ausgestaltungenfinden sich in den Unteransprüchen.Der Grundgedanke der Erfindung geht aus von einem Leistungshalbleitermodulzur direkten Montage auf einem Kühlkörper, wobeidas Leistungshalbleitermodul ein rahmenartiges isolierendes Kunststoffgehäuse aufweist.Dieses Kunststoffgehäuseweist weiterhin einen vorzugsweise einstückig mit dem Gehäuse verbundenenDeckel auf. Die zweite Deckflächewird gebildet durch ein Substrat, das aus einer Isolationsschichtund mindestens einer hierauf angeordneten metallischen Schicht besteht,die dem Leistungshalbleitermodulinneren zugewandt ist. Diese metallische Schichtkann in sich strukturiert sein und bildet die mindestens eine Leiterbahndes Leistungshalbleitermoduls. Auf dieser Leiterbahn ist mindestensein Leistungshalbleiterbauelement angeordnet und mit mindestenseinem nach außenführendenAnschlusselement, einer weiteren Leiterbahn und/oder einem weiterenLeistungshalbleiterbauelement schaltungsgerecht verbunden.
    [0007] Dieerste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist folgendewesentliche Schritte auf: • Ausbilden des Substrats. Hierzuwird das mindestens eine Leistungshalbleiterbauelement auf einerLeiterbahn vorzugsweise löttechnischangeordnet. Anschließendwerden die schaltungsgerechten Verbindungen zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement,den Anschlusselementen, weiteren Leiterbahnen und/oder weiterenLeistungshalbleiterbauelementen hergestellt. Derartige Verbindungenwerden vorzugsweise mittels Draht- oder Bandbondverbindungen hergestellt. • Überziehendes Substrats mit einer zähflüssigen dielektrischenIsolationsmasse. Hierzu haben sich Gießverfahren als vorteilhafterwiesen, da hierbei die Isolationsmasse auch beispielsweise durchBonddrähte überdeckteBereiche sicher verfüllt.Das Gießverfahrenkann zu dessen Beschleunigung druckunterstützt sein. • Einleitender Vernetzung der Isolationsmasse. Vorteilhafterweise finden indem erfindungsgemäßen VerfahrenIsolationsmassen Verwendung, deren Vernetzung mittels Einwirkungvon ultraviolettem Licht oder von Temperatur eingeleitet wird. EinevollständigeVernetzung der Isolationsmasse ist zu diesem Zeitpunkt des Verfahrenszu vermeiden. • Drehendes Substrats um seine Längsachse (x-Achse).Hierdurch kann die überschüssige Isolationsmasseabtropfen und vorhandene Bondverbindungen sicher mit Isolationsmasseumhüllen.Im Verlauf dieses Abtropf- und Umhüllungsvorgangs vernetzt dieIsolationsmasse weiter. Eine vollständige Vernetzung ist während dieses Verfahrensschrittsmöglich,bevorzugt ist allerdings, dass auch während dieses Verfahrensschrittsdie Vernetzung noch nicht vollständigist. • Anordnendes Substrats in dem Gehäusedes Leistungshalbleitermoduls. Bei einer noch nicht vollständig vernetztenIsolationsmasse wirkt diese hierbei vorteilhafterweise noch alsadhäsiver Stoff,der eine Klebeverbindung zwischen dem Gehäuse und dem Substrat herstellt.
    [0008] Besondersvorteilhaft ist das Gießverfahren, wennes druckunterstütztist und/oder wenn ein Drallstrahlgießverfahren nach dem Stand derTechnik angewandt wird, da hierbei die Isolationsmasse schnell undgleichmäßig aufdem Substrat verteilt wird.
    [0009] Diezweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist folgendewesentliche Schritte auf: • Ausbilden des Substrats gemäß ersterAusgestaltung. • Eintauchendes Substrats mit der mit dem mindestens einen LeistungshalbleiterbauelementbestücktenSeite in die dielektrischen Isolationsmasse. Hierbei dringt dieIsolationsmasse in alle Zwischenräume, wie sie beispielhaft unterhalbder Bondverbindungen vorhandener sind, ein. Während des Herausziehens undeiner optionalen zusätzlichenWartezeit kann die überschüssige Isolationsmasseabtropfen und umhüllthierbei insbesondere auch die vorhandenen Bondverbindungen mit Isolationsmasse. • Einleitender Vernetzung der Isolationsmasse gemäß erster Ausgestaltung. Gegenüber dem vorhergehendenVerfahrensschritt wird die Lage des Substrats mit der bestückten Seitenach unten beibehalten. Somit wird sichergestellt, das eine ausreichendeUmhüllungder Bondverbindungen erreicht wird. Es ist in diesem Verfahrensschrittanalog zur ersten Ausgestaltung bevorzugt, dass die Vernetzung nochnicht vollständig ist. • Abtropfenvon überschüssiger Isolationsmasse undsichere Umhüllungvorhandener Bondverbindungen mit Isolationsmasse analog erster Ausgestaltung. • Anordnendes Substrats in dem Gehäusedes Leistungshalbleitermoduls gemäß erster Ausgestaltung.
    [0010] Vorteilhaftan beiden Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass allezu isolierenden Teile des Leistungshalbleitermoduls, besonders auchdie Bondverbindungen, ausreichend mit der dielektrischen Isolationsmassebenetzt und umhülltsind.
    [0011] Weiterhinvorteilhaft ist bei beiden Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens,wenn das Substrat währenddes Abtropfens zeitweise um seine Hochachse (z-Richtung) in Ration versetzt wird umsomit das Abtropfen zu beschleunigen.
    [0012] Ebensovorteilhaft ist es, wenn währenddes Abtropfverfahrensschritts das Substrat mit Vakuum beaufschlagtwird, da hierdurch eventuell vorhandene Gaseinschlüsse in derIsolationsmasse wirksam entfernt werden.
    [0013] DieErfindung wird weiterhin in Verbindung mit den 1 und 2 näher erläutert.
    [0014] 1 zeigteinen Schnitt durch ein Leistungshalbleitermodul nach dem Standder Technik.
    [0015] 2 zeigtein Leistungshalbleitermodul mit erfindungsgemäß ausgebildeter innerer Isolation.
    [0016] 1 zeigteinen Schnitt durch ein Leistungshalbleitermodul nach dem Standder Technik. Dargestellt ist ein Kühlkörper (10), ein hieraufangeordnetes Substrat (20) des Leistungshalbleitermodul sowiedieses umrahmend und überdeckendein Gehäuse(60)
    [0017] DasSubstrat (20) besteht aus einem Isolierstoffkörper (24),vorzugsweise einer Industriekeramik wie Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrit,sowie auf beiden Seiten dieses Isolierstoffkörpers metallischen Schichten(22, 26). Die metallischen Schichten sind hierbeimittels des bekannten DCB- Verfahrens auf dem Isolierstoffkörper (24)aufgebracht. Vorzugsweise ist die dem Inneren des Gehäuses (60)zugewandete metallische Schicht (26) in sich strukturiertund bildet somit von einander isolierte Leiterbahnen. Diese Leiterbahnentragen Leistungshalbleiterbauelemente (30), wie Dioden,Thyristoren, IGBTs und/oder MOS-FETs und Sensorbauelemente (50),die hierauf mittels Lötverbindungenangeordnet sind. Weitere schaltungsgerechte Verbindungen der Leistungshalbleiterbauelemente(30) mit weiteren Leiterbahnen (26) erfolgen mittelsDrahtbondverbindungen (32).
    [0018] DieVerbindungselemente zur elektrischen Verbindung der Leiterbahnen(26) des Substrats (20) mit den externen Zuleitungenwird von Kontaktfedern (70) gebildet.
    [0019] Dieinnere Isolierung des Leistungshalbleitermoduls wird gebildet durcheinen Silikonkautschuk (70), der das Innere des Leistungshalbleitermodulbis auf circa halbe Höheausfüllt.Die dem Substrat (20) abgewandte Oberfläche (72) des Silikonkautschuks bildetdaher eine ebene Fläche.
    [0020] 2 zeigtein Leistungshalbleitermodul mit erfindungsgemäß ausgebildeter innerer Isolation. DerKühlkörper (10)und das Substrat (20) mit den Leistungshalbleiterbauelementen(30) sowie deren schaltungsgerechte Verbindungen sind ebensowie in 1 ausgebildet.
    [0021] DieIsolationsmasse (70) ist hier gemäß einer der beiden Ausgestaltungendes erfindungsgemäßen Verfahrensauf das Substrat (20) aufgebracht worden. Die Isolationsmasse(70) wurde bis an den Rand des Substrats (20)aufgebracht und war vor der Anordnung des Substrats (20)zu dem Gehäuse(60) noch nicht vollständigvernetzt. Das Gehäuse(60) ist hier derart ausgestaltet, dass bei dieser Anordnung zueinander über einenTeil der Gehäusebreiteeine Ausnehmung (62) verbleibt. Die in dieser Ausnehmung(62) angeordnete Isolationsmasse (70) wirkt hiernach ihrer vollständigenAushärtungals Klebeverbindung zwischen dem Gehäuse (60) und dem Substrat(20).
    [0022] Diedurch das erfindungsgemäße Verfahren aufgebrachteIsolationsmasse (70) weist eine Oberfläche (74) auf, dieder Kontur des Substrats (20) mit den hierauf angeordnetenLeistungshalbleiterbauelementen (30) und den Bondverbindungen(32) folgt. Auf Grund des erfindungsgemäßen Verfahrens und einer hieraufabgestimmten Viskositätder Isolationsmasse (70) zwischen 400 und 1400 mPa·s werden alleOberflächendes Substrats (20), alle Leistungshalbleiterbauelemente(30) sowie vor allem alle Bondverbindungen (32)zu deren elektrischer Isolation ausreichend bedeckt.
    [0023] Weiterhinweist die Isolationsmasse (70) folgende Parameter auf:einen spezifischen Durchgangswiderstand von mehr als 1015 Ohmund eine Dielektrizitätskonstantezwischen 2,5 und 3.
    [0024] Esist offensichtlich, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren der Ausbildungeiner inneren Isolation des Substrats eines Leistungshalbleitermodulsdie Menge der verwendeten Isolationsmasse (70) mehr alshalbiert werden konnte, ohne die elektrischen Eigenschaften zu verändern.
    权利要求:
    Claims (8)
    [1] Verfahren zur inneren elektrischen Isolationeines Substrats (20) fürein Leistungshalbleitermodul mit einem rahmenartigen isolierendenGehäuse(60) mit Deckel und mit einem isolierenden Substrat (20) mitmindestens einer Leiterbahn (26) und mindestens einem hieraufangeordneten Leistungshalbleiterbauelementen (30), welchesmit Anschlusselementen (80), weiteren Leiterbahnen (26)und/oder Leistungshalbleiterbauelementen (30) schaltungsgerechtvorzugsweise mittels Bondverbindungen (32) verbunden ist,gekennzeichnet durch folgende wesentliche Schritte: • Ausbildendes Substrats (20) mit dem mindestens einen Leistungshalbleiterbauelement(30) und den schaltungsgerechten Verbindungen (32); • Überziehendes Substrats (20) mit einer zähflüssigen dielektrischen Isolationsmasse(70) in einem Gießverfahren; • Einleitender Vernetzung der Isolationsmasse (70); • Drehendes Substrats (20) um eine Längsachse (x-Achse), damit dieIsolationsmasse (70) die vorhandenen Bondverbindungen (32)sicher umhülltund damit überschüssige Isolationsmasse(70) abtropfen kann; • Anordnen des Substrats (20)in dem Gehäuse(60) des Leistungshalbleitermoduls.
    [2] Verfahren zur inneren elektrischen Isolation einesSubstrats (20) fürein Leistungshalbleitermodul mit einem rahmenartigen isolierendenGehäuse(60) mit Deckel und mit einem isolierenden Substrat (20) mitmindestens einer Leiterbahn (26) und mindestens einem hieraufangeordneten Leistungshalbleiterbauelementen (30) welchesmit Anschlusselementen (80), weiteren Leiterbahnen (26)und/oder Leistungshalbleiterbauelementen (30) schaltungsgerechtvorzugsweise mittels Bondverbindungen (32) verbunden ist,gekennzeichnet durch folgende wesentliche Schritte: • Ausbildendes Substrats (20) mit dem mindestens einen Leistungshalbleiterbauelement(30) und den schaltungsgerechten Verbindungen (32); • Eintauchendes Substrats (20) mit der mit dem mindestens einen Leistungshalbleiterbauelement(30) bestücktenSeite in eine zähflüssige dielektrische Isolationsmasse(70); • Einleitender Vernetzung der Isolationsmasse (70); • SicheresUmhüllungvorhandener Bondverbindungen (32) mit Isolationsmasse (70)und Abtropfen von überschüssiger Isolationsmasse(70); • Anordnendes Substrats (20) in dem Gehäuse (60) des Leistungshalbleitermoduls.
    [3] Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Substrat(20) währenddes Abtropfens zeitweise um seine Hochachse (z-Richtung) in Ration versetzt wird umsomit das Abtropfen zu beschleunigen.
    [4] Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Vernetzender geeigneten Isolationsmasse (70) durch Einwirkung vonultraviolettem Licht eingeleitet wird.
    [5] Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Vernetzender geeigneten Isolationsmasse (70) durch Einwirkung vonWärme eingeleitetwird.
    [6] Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die jeweiligenAbtropfschritte unter Vakuumbeaufschlagung durchgeführt werden.
    [7] Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Isolationsmasse(70) einen spezifischen Durchgangswiderstand von mehr als1015 Ohm, eine Viskosität zwischen 400 und 1400 mPa·s undeine Dielektrizitätskonstantezwischen 2,5 und 3 aufweist.
    [8] Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Überziehendes Substrats (20) mit der dielektrischen Isolationsmasse(70) in einem druckunterstütztem Drallstrahlgießverfahrendurchgeführtwird,
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    引用文献:
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    法律状态:
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    2009-01-02| 8364| No opposition during term of opposition|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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