DE102021109658B3

DE102021109658B3 - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Leistungsgeräts und damit hergestelltes Halbleiter-Leistungsgerät sowie ein Werkzeugteil für eine Sinterpresse und Verwendung einer Sinterpresse

Info

Publication number: DE102021109658B3
Application number: DE102021109658.8A
Authority: DE
Inventors: Martin Becker; Michael Timmermann; Mohammad Goushegir
Original assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Current assignee: SEMIKRON DANFOSS GMBH, DE
Priority date: 2021-04-16
Filing date: 2021-04-16
Publication date: 2022-10-20
Anticipated expiration: 2041-04-17

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Leistungsgeräts (2), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:- Anordnen eines Bauteils (4) auf einer Oberseite einer Grundplatte (32) und Einsetzen des Bauteils (4) und der Grundplatte (32) in eine Sinterpresse (40);- Durchführung eines Sinterprozesses, bei dem unter Erhitzen der zu verbindenden Teile (4, 32) ein Sinterdruck erzeugt wird, wodurch das Bauteil (4) und die Grundplatte (32) verbunden werden;- Öffnen der Sinterpresse (40) nach der Durchführung des Sinterprozesses und- Entnahme des Halbleiter-Leistungsgeräts (2) aus der Sinterpresse (40).Das Verfahren umfasst den Schritt, ein dreidimensionales Druckformwerkzeug (20) gleichzeitig mit dem Sinterprozess gegen die untere Oberfläche der Grundplatte (32) zu drücken und dadurch eine dreidimensionale Struktur (38) auf einem unteren Abschnitt der Grundplatte (20) zu erzeugen.

Description

Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Leistungsgeräten wie Halbleiter-Leistungsmodulen oder Geräten wie Invertern. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Halbleiter-Leistungsgerät, das durch Anwendung des Verfahrens hergestellt wird.
Stand der Technik
Moderne Hochleistungs-Halbleiter-Leistungsmodule werden häufig durch Anordnen von Bauteilen, wie einer Grundplatte, einem Schaltungssubstrat, passiven elektronischen Bauelementen wie Widerständen und Kondensatoren und aktiven Halbleiterbauelementen wie Halbleiterschaltern (z. B. einem IGBT oder einem MOSFET) in Stellung gebracht und anschließend mittels verschiedener Techniken wie Löten, Hartlöten, Schweißen oder Sintern verbunden. Einige Verbindungstechniken wie das Sintern finden unter Bedingungen hohen Drucks und/oder hoher Temperatur statt, und zwar in einer speziell für diese Technik entwickelten Presse mit speziellen Werkzeugen.
Der Einsatz der Sintertechnologie bei der Herstellung von Halbleiter-Leistungsmodulen ist bekannt. Auch die Verwendung von Kühlmerkmale enthaltenden Grundplatten ist bekannt. Bei solchen Kühlmerkmalen kann es sich um einfache Stiftflossen (verlängerte Materialsäulen, die im Betrieb von Kühlmittel umgeben sind) oder um hochentwickelte Kühlmittelverteiler handeln, die das Kühlmittel gleichmäßig und effizient über den zu kühlenden Bereich verteilen. Oft ist es von Vorteil, eine Grundplatte zu haben, die die Kältemittelkanäle vollständig umschließt, aber andere bekannte Ausführungen haben eine offene Kanalstruktur, die anschließend durch eine Abdeckung verschlossen wird. Für die Herstellung solcher Kühlstrukturen in einer Grundplatte können verschiedene Techniken eingesetzt werden. Dazu gehören das Gießen der Grundplatte, das Herausarbeiten von Kanälen aus einer massiven Grundplatte (subtraktive Fertigung), der Aufbau der dreidimensionalen Struktur mit Hilfe additiver Fertigungstechnologien wie dem dreidimensionalen Druck oder das Ausstanzen der dreidimensionalen Struktur mit Hilfe von schnell wirkendem Hochdruck.
Diese letzte Technik, d. h. das Stanzen einer Struktur aus einer massiven Grundplatte, hat sich als sehr vorteilhaft für die effiziente und kostengünstige Herstellung von Grundplatten für Leistungsmodule erwiesen. Sie hat große Vorteile gegenüber einigen der anderen Techniken, da sie extrem schnell und kostengünstig ist, insbesondere wenn sie in der Massenproduktion eingesetzt wird. Allerdings gibt es starke Einschränkungen, wie tief eine Kanalstruktur mit dieser Technik erzeugt werden kann, und es gibt einige Einschränkungen, wie fein (komplex) das Muster erzeugt werden kann.
US 2018/0 182 651 A1 offenbart ein Verfahren, das eine gemeinsame Druckkraft anwendet, um einen elektronischen Chip mittels einer Verbindungsstruktur wirksam mit einem Verbinderkörper zu verbinden. Das Verfahren ist jedoch nicht zum Herstellen eines elektrischen Geräts geeignet, das eine oder mehrere elektronische Komponenten an vordefinierten Positionen umfasst. Dementsprechend wäre es wünschenswert, ein alternatives Verfahren bereitstellen zu können.
Nachteile des Standes der Technik
Zusätzlich zu den oben genannten Nachteilen müssen auch eine Reihe verschiedener Schritte unternommen werden, um eine zusammengefügte Leistungsmodulstruktur mit gesinterten Komponenten zu schaffen, die auf einer Grundplatte mit einer dreidimensionalen Kühlstruktur angebracht sind. Die Grundplatte muss geformt und in die Presse eingelegt werden. Das Substrat und die elektronischen Bauteile usw. müssen zusammen mit der Sinterpaste auf der Grundplatte positioniert werden, und dann wird die Presse geschlossen und der Sinterprozess kann stattfinden. Außerdem hat sich gezeigt, dass die in einer solchen Presse auftretenden Kräfte eine bereits vorhandene dreidimensionale Struktur in der Grundplatte stark beschädigten.
Solche geprägten Strukturen auf der Grundplatte könnten später im Verfahren (nach dem Sintern) erzeugt werden, was jedoch nicht praktikabel ist, da sich solche industriellen Verfahren nicht für die Anwendung auf ein empfindliches, bereits montiertes elektronisches Bauteil eignen.
Das Problem besteht darin, dass die Strukturen der Kühlstruktur während des Hochdruck-Sinterprozesses beschädigt werden, wenn die Strukturen nicht gestützt werden. Der Druck beträgt typischerweise etwa 25 MPa. Im Stand der Technik wird die Kühleinheit typischerweise während eines ersten Herstellungsprozesses gebildet, der dem Sinterprozess vorausgeht.
Es besteht also Bedarf an einem Verfahren und einem Halbleiter-Leistungsgerät, die die oben genannten Nachteile des Standes der Technik verringern oder sogar beseitigen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur einfachen Herstellung eines Halbleiter-Leistungsgeräts bereitzustellen. Es ist auch Aufgabe der Erfindung, ein Halbleiter-Leistungsgerät bereitzustellen, das auf einfache Weise hergestellt werden kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch ein Halbleiter-Leistungsgerät gemäß Anspruch 13 erreicht werden. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Unteransprüchen definiert, in der folgenden Beschreibung erläutert und in den beigefügten Zeichnungen dargestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Leistungsgeräts, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

- Anordnen eines Bauteils auf einer Oberseite einer Grundplatte und Einsetzen des Bauteils und der Grundplatte in eine Sinterpresse;
- Durchführen eines Sinterprozesses, bei dem ein Sinterdruck erzeugt wird, während die zu verbindenden Teile erhitzt werden, wodurch das Bauteil und die Grundplatte verbunden werden;
- Öffnen der Sinterpresse nach der Durchführung des Sinterprozesses und
- Entnahme des Halbleiter-Leistungsgeräts aus der Sinterpresse,

- Anordnen eines oder mehrerer elektronischer Elemente, einschließlich mindestens eines Halbleiterelements, auf einer Oberseite einer elektrisch leitenden Schicht des Bauteils und
- Anordnen der Unterseite des Bauteils, die dem einen oder mehreren elektro-nischen Elementen gegenüberliegt, auf der Grundplatte vor der Durchführung des Sinterprozesses.

Hierdurch ist es möglich, ein Verfahren zur einfachen Herstellung eines Halbleiter-Leistungsgeräts anzugeben. Das Verfahren ermöglicht eine Zeitersparnis, da die dreidimensionale Struktur auf einem unteren Teil der Grundplatte gleichzeitig mit dem Sinterprozess hergestellt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst den folgenden Schritt:

- Anordnen eines Bauteils auf der oberen Fläche einer Grundplatte.

In einer Ausführungsform ist das Bauteil ein Substrat.
In einer Ausführungsform ist das Bauteil ein direkt gebondetes Kupfersubstrat (DBC). In anderen Ausführungsformen können auch AMB-Substrate (Active Metal Braze) verwendet werden.
In einer Ausführungsform ist das Bauteil ein Modul.
Das Verfahren umfasst den Schritt des Anordnens des Bauteils auf einer Oberseite der Grundplatte und des Einsetzens des Bauteils und der Grundplatte in eine Sinterpresse. Die Sinterpresse umfasst vorzugsweise ein erstes Teil und ein zweites Teil, die so angeordnet und konfiguriert sind, dass

a) sie in einer ersten Betriebsart aufeinander zu bewegt werden, um das zweite Teil gegen die im Aufnahmeraum aufgenommenen Elemente zu drücken und dabei einen ausreichend großen Druck zu erzeugen, um die Elemente zur Bildung eines Leistungsgeräts zusammen zu sintern, und
b) sie in einem zweiten Modus von dem ersten Teil wegbewegt werden, um die Sinterpresse zu öffnen, damit das gesinterte Leistungsgerät aus der Sinterpresse entnommen werden kann.

In einer Ausführungsform ist das erste Teil ein Oberteil, während das zweite Teil ein Unterteil ist.
In einer Ausführungsform ist das erste Teil ein Unterteil, während das zweite Teil ein Oberteil ist.
Wesentlich ist, dass das Verfahren den Schritt der Durchführung eines Sinterprozesses umfasst, bei dem unter Erhitzung der zu verbindenden Teile ein Sinterdruck erzeugt wird, wodurch das Bauteil und die Grundplatte miteinander verbunden werden.
Mit dem Begriff „während der Erhitzung der zu verbindenden Teile“ ist gemeint, dass ein vorgegebenes Temperaturniveau gewährleistet wird. In einer Ausführungsform bedeutet dies, dass eine aktive Erhitzung mit Hilfe eines oder mehrerer Heizelemente erfolgt.
In einer Ausführungsform wird das vordefinierte Temperaturniveau ohne aktive Heizung aufrechterhalten.
In einer Ausführungsform wird der Schritt des Aufheizens der zu verbindenden Teile durchgeführt, indem die Temperatur der Sinterpresse innerhalb eines vordefinierten Temperaturbereichs gehalten wird. Hierdurch ist es möglich, die Temperatur der Sinterpresse auf einem Niveau zu halten, das ausreichend hoch ist, um kurze Zykluszeiten zu ermöglichen. Auf diese Weise ist es möglich, die Produktionszeit zu minimieren.
Das Verfahren umfasst das Öffnen der Sinterpresse nach der Durchführung des Sinterprozesses. Dieser Schritt wird durchgeführt, um den Schritt der Entnahme des Halbleiter-Leistungsgeräts aus der Sinterpresse zu ermöglichen.
Indem ein dreidimensionales Druckformwerkzeug gleichzeitig mit dem Sinterprozess gegen die Unterseite der Grundplatte gedrückt wird, kann eine dreidimensionale Struktur auf einem unteren Teil der Grundplatte erzeugt werden.
Bei dieser Struktur kann es sich um eine Kühlstruktur handeln, die so angeordnet ist, dass sie eine verbesserte Kühlung der hitzeerzeugenden Elemente des Halbleiterleistungsgeräts ermöglicht.
Es ist wichtig zu betonen, dass die dreidimensionale Struktur jede Art von Struktur sein kann, die durch Drücken des dreidimensionalen Druckformwerkzeugs gegen die Unterseite der Grundplatte erzeugt werden kann.
In einer Ausführungsform hat die dreidimensionale Struktur eine zweidimensionale Ausdehnung.
In einer Ausführungsform ist die Form eines beliebigen Querschnitts der Struktur entlang der Längsachse der Struktur konstant.
In einer Ausführungsform umfasst der Sinterprozess das Auftragen von etwas Sintermaterial (Paste) auf eine oder beide Oberflächen aller zusammen zu sinternder Teile, gefolgt vom Einsatz von Druck und/oder Temperatur.
In einer Ausführungsform ist das Sintermaterial eine Sinterpaste.
In einer Ausführungsform ist das Sintermaterial eine Sintervorform.
Es ist ein Vorteil dass das Verfahren den folgenden Schritt umfasst:

- Anordnen eines oder mehrerer elektronischer Elemente, einschließlich mindestens eines Halbleiterelements, auf einer Oberseite einer elektrisch leitenden Schicht des Bauteils und
- Anordnen der dem einen oder mehreren elektronischen Elementen gegenüberliegenden Unterseite des Bauteils auf der Grundplatte vor der Durchführung des Sinterprozesses.

Dadurch ist es möglich, elektronische Elemente in jeder beliebigen Position anzuordnen und die elektronischen Elemente während des Sinterprozesses auf dem Bauteil zu befestigen.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Einfügens des Bauteils zwischen dem einen oder den mehreren elektronischen Elementen und der Grundplatte vor der Durchführung des Sinterprozesses.
In einer Ausführungsform verläuft die Kraft, mit der das Druckformwerkzeug gegen die Unterseite der Grundplatte gedrückt wird, senkrecht zur Längsachse der Grundplatte. Dadurch kann die Kraft, die zum Formen der dreidimensionalen Struktur erforderlich ist, minimiert werden.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt der Herstellung einer Struktur, die eine Vielzahl von beabstandeten, konisch vertieften Bereichen umfasst. Hierdurch kann das dreidimensionale Druckformwerkzeug leicht von der Unterseite der Grundplatte zurückgezogen werden.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt der Herstellung einer Struktur, die eine Vielzahl von beabstandeten, vorstehenden Teilen umfasst.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt der Herstellung einer Struktur, die sich entlang des mittleren Teils der Grundplatte erstreckt.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt der Herstellung einer Struktur, die sich über mindestens die Hälfte der Länge der Grundplatte erstreckt.
In einer Ausführungsform umfasst die Grundplatte eine obere Schicht, die mit einer unteren Schicht verbunden ist. Hierdurch ist es möglich, mehrere Varianten der Grundplatte bereitzustellen, um spezifische Anforderungen zu erfüllen.
In einer Ausführungsform ist die obere Schicht aus einem anderen Material als die untere Schicht gefertigt. Hierdurch ist es möglich, eine Grundplatte bereitzustellen, die mit dem dreidimensionalen Druckformwerkzeug leicht zu formen ist und gleichzeitig optimierte elektrische Eigenschaften aufweist.
In einer Ausführungsform ist die untere Schicht aus Aluminium gefertigt. Dies kann vorteilhaft sein, da sich Aluminium mit Hilfe des dreidimensionalen Druckformwerkzeugs während des Sinterprozesses leicht verformen lässt. Die untere Schicht kann auch aus einer Aluminiumlegierung hergestellt werden.
In einer Ausführungsform umfasst die obere Schicht eine Kupferlegierung. Dies kann vorteilhaft sein, da Kupfer vorteilhafte thermische Eigenschaften, wie einen geringen Wärmewiderstand, und eine deutlich höhere Festigkeit als Aluminium aufweist.
In einer Ausführungsform liegt die Sinterzeit im Bereich von 30-300s.
In einer Ausführungsform liegt die Sinterzeit im Bereich von 60-200 s.
In einer Ausführungsform liegt die Sintertemperatur im Bereich von 200-300°C.
In einer Ausführungsform liegt die Sintertemperatur im Bereich von 220-270°C.
Die Sintertemperatur ist die Temperatur der Gegenstände, die zusammengesintert werden. Dementsprechend kann die Temperatur der Sinterpresse höher sein.
In einer Ausführungsform wird die Kraft F so gewählt, dass sich ein vorgegebener Sinterdruck einstellt. Abhängig von den Flächenverhältnissen zwischen der gesinterten Verbindungsfläche und den Kontaktstellen der Kühlvorrichtung wird ein entsprechender Druck erzeugt.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Formens des Halbleiter-Leistungsgeräts während des Sinterprozesses.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren:

a) einen ersten Schritt, in dem eine erste dreidimensionale Struktur erzeugt wird und
b) einen zweiten Schritt, in dem die erste dreidimensionale Struktur so umgeformt wird, dass eine zweite dreidimensionale Kühlstruktur entsteht.

Dadurch ist es möglich, Strukturen zu schaffen, die mit einem einstufigen Verfahren nicht zu realisieren sind.
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch erreicht, dass ein Werkzeugteil für eine Sinterpresse bereitgestellt wird, das Folgendes umfasst:

- ein erstes Teil,
- ein zweites Teil und
- einen zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil angeordneten Aufnahmeraum, wobei der Aufnahmeraum so konfiguriert ist, dass er Elemente aufnimmt, einschließlich einer Grundplatte eines Leistungsgeräts, die unter Verwendung der Sinterpresse gesintert werden soll, wobei die Sinterpresse eine Hitzequelle umfasst, die so angeordnet und konfiguriert ist, dass sie das erste Teil und/oder das zweite Teil aufheizt, wobei das zweite Teil so angeordnet und konfiguriert ist, dass es
1. a) in einem ersten Modus in Richtung des ersten Teils bewegt wird, um das zweite Teil gegen die vom Aufnahmeraum aufgenommenen Elemente zu drücken und dadurch einen ausreichend großen Druck zu erzeugen, um die Elemente zusammenzusintern, um ein montiertes Leistungsgerät zu bilden, und
2. b) in einem zweiten Modus von dem ersten Teil wegbewegt wird, um die Sinterpresse zu öffnen, damit das gesinterte Leistungsgerät aus der Sinterpresse entnommen werden kann,

Die erfindungsgemäße Sinterpresse umfasst ein zweites erfindungsgemäßes Teil.
Es kann von Vorteil sein, eine erfindungsgemäße Sinterpresse zur Herstellung eines Halbleiter-Leistungsgeräts zu verwenden, das Folgendes umfasst:

- Grundplatte;
- ein mit Hilfe der Sinterpresse auf der Grundplatte befestigtes Bauteil;
- ein oder mehrere elektronische Elemente, die mindestens ein Halbleiterelement umfassen, das auf einer Oberseite einer elektrisch leitenden Schicht des Bauteils angeordnet ist.

Figurenliste
Das Verständnis der Erfindung wird durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung vertieft. Die beigefügten Zeichnungen sind nur zur Veranschaulichung gegeben, und schränken daher die vorliegende Erfindung nicht ein. In den beigefügten Zeichnungen zeigen:

1A eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleiter-Leistungsgeräts, das nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird;
1B eine zweite schematische Querschnittsansicht des in 1A gezeigten Halbleiter-Leistungsgeräts während eines Schritts, in dem eine Struktur gebildet wird, indem ein dreidimensionales Druckformwerkzeug gegen die untere Oberfläche der Grundplatte des Halbleiter-Leistungsgeräts gedrückt wird;
1C eine schematische Querschnittsansicht des in 1B gezeigten Halbleiter-Leistungsgeräts;
2A eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleiter-Leistungsgeräts, das nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird;
2B eine schematische Querschnittsansicht des in 2A gezeigten Halbleiter-Leistungsgeräts;
3A eine schematische Querschnittsansicht eines Teils einer Sinterpresse, wobei das Teil ein abnehmbar angeordnetes Formwerkzeug enthält, das von einem in dem Teil vorgesehenen Aufnahmeabschnitt getrennt ist;
3B eine schematische Querschnittsansicht des in 3A gezeigten Teils der Sinterpresse in einer Konfiguration, in der das Formwerkzeug abnehmbar an dem Teil befestigt wurde;
3C eine schematische Querschnittsansicht eines Teils einer Sinterpresse, wobei das Teil ein lösbar angeordnetes Formwerkzeug enthält, das von einem in dem Teil vorgesehenen Aufnahmebereich getrennt ist;
3D eine schematische Querschnittsansicht des in 3C gezeigten Teils der Sinterpresse in einer Konfiguration, in der das Formwerkzeug abnehmbar an dem Teil befestigt wurde;
4A eine schematische Ansicht einer ersten Formstruktur eines Formwerkzeugs eines Teils einer erfindungsgemäßen Sinterpresse;
4B eine schematische Ansicht einer zweiten Formstruktur eines Formwerkzeugs eines Teils einer erfindungsgemäßen Sinterpresse;
4C eine schematische Ansicht einer dritten Formstruktur eines Formwerkzeugs eines Teils einer erfindungsgemäßen Sinterpresse;
4D eine schematische Ansicht einer vierten Formstruktur eines Formwerkzeugs eines Teils einer erfindungsgemäßen Sinterpresse;
5A eine perspektivische Unteransicht eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Leistungsgeräts;
5B eine perspektivische Draufsicht auf das in 5A gezeigte Halbleiter-Leistungsgerät und
6 ein Flussdiagramm, das die Prozessschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens illustriert.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Zur Veranschaulichung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird in 1A eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleiter-Leistungsgeräts 2 gezeigt, das nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird.
Das Halbleiter-Leistungsgerät 2 umfasst eine Grundplatte 32 und eine Komponente 4, die auf der Oberseite der Grundplatte 32 angeordnet ist. Die Grundplatte 32 umfasst ein oberes Plattenteil 14 und ein unteres Plattenteil 16, die aneinander befestigt sind.
Das Bauteil 4 umfasst ein Substrat mit einer Keramikschicht 8, die zwischen einer ersten elektrisch leitenden Schicht 6 und einer zweiten elektrisch leitenden Schicht 10 angeordnet ist. In einer Ausführungsform bestehen die leitenden Schichten aus Kupfer.
Zwischen dem unteren Teil der zweiten elektrisch leitenden Schicht 10 des Substrats 4 und dem oberen Plattenteil 14 der Grundplatte 32 befindet sich ein Sintermaterial 30, z. B. eine Sinterpaste oder eine Sintervorform.
Elektronische Elemente 22, 24 sind auf dem oberen Teil der ersten elektrisch leitenden Schicht 6 angebracht. Das Halbleiter-Leistungsgerät 2 umfasst ein Vergussteil 12, das das Substrat 4 und die elektronischen Elemente 22, 24 bedeckt.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst den Schritt des Anordnens des Bauteils 4 (hier auch die elektronischen Elemente 22, 24 und das Vergussteil 12 umfassend) auf der Oberseite der Grundplatte 32 und den Schritt des Einsetzens des Bauteils 4 und der Grundplatte 32 in eine Sinterpresse.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst den Schritt der Durchführung eines Sinterprozesses, bei dem unter Erhitzung der zu verbindenden Teile ein Sinterdruck erzeugt wird, wodurch das Bauteil 4 und die Grundplatte 32 verbunden werden.
Das Verfahren umfasst den Schritt, ein dreidimensionales Druckformwerkzeug 20 gleichzeitig mit dem Sinterprozess gegen die Unterseite der Grundplatte 32 zu drücken und dadurch eine dreidimensionale Struktur auf dem unteren Teil der Grundplatte 32 zu erzeugen. Es ist zu erkennen, dass eine Kraft F aufgebracht wird, um das dreidimensionale Druckformwerkzeug 20 gegen die Unterseite der Grundplatte 32 zu drücken. Die Kraft F, die aufgebracht wird, um das Druckformwerkzeug 20 gegen die Unterseite der Grundplatte 32 zu drücken, erstreckt sich senkrecht zur Längsachse X der Grundplatte 32. Dadurch kann die Kraft F, die zum Formen der dreidimensionalen Struktur 30 erforderlich ist, minimiert werden. Die Kraft F wird so gewählt, dass der erforderliche Sinterdruck erreicht wird. Abhängig von den Flächenverhältnissen zwischen der gesinterten Verbindungsfläche und den Kontaktstellen des Kühlers wird ein entsprechender Druck aufgebaut.
1B zeigt eine zweite schematische Querschnittsansicht des in 1A gezeigten Halbleiter-Leistungsgeräts 2 während eines Schritts, in dem eine Struktur gebildet wird, indem ein dreidimensionales Druckformwerkzeug 20 gegen die untere Oberfläche der Grundplatte 32 des Halbleiter-Leistungsgeräts 2 gedrückt wird.
Das dreidimensionale Druckformwerkzeug 20 wurde in die Unterseite der Grundplatte 32 des Halbleiterleistungsgeräts 2 gedrückt. Dementsprechend hat das dreidimensionale Druckformwerkzeug 20 eine Struktur in der Bodenfläche der Grundplatte 32 erzeugt. Dieser Strukturbildungsschritt wird gleichzeitig mit einem Sinterprozess durchgeführt, der unter Verwendung einer Sinterpresse erfolgt (wie in 2A gezeigt).
1C zeigt eine schematische Querschnittsansicht des in 1B gezeigten Halbleiterleistungsgeräts 2. Es ist zu erkennen, dass das dreidimensionale Druckformwerkzeug 20 von der Unterseite der Grundplatte 32 zurückgezogen wurde. Dementsprechend ist die geformte Struktur 38 in der Bodenfläche der Grundplatte 32 sichtbar. Es ist zu erkennen, dass die Struktur 38 eine Vielzahl von beabstandeten konisch vertieften Bereichen 36 umfasst, die zwischen einer Vielzahl von beabstandeten vorstehenden Teilen 34 angeordnet sind. Es ist auch zu erkennen, dass sich die Struktur 38 entlang des mittleren Teils der Grundplatte 32 erstreckt.
2A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleiter-Leistungsgeräts, das nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird. Ein Bauteil 4 ist auf der Oberseite einer Grundplatte angeordnet. Die Grundplatte umfasst hier ein einziges oberes Plattenteil 14.
Das Bauteil 4 und die Grundplatte sind in einer Sinterpresse 40 angeordnet. Die Sinterpresse 40 umfasst ein erstes Teil 26 (ein oberes Teil) und ein zweites Teil 28 (ein unteres Teil). Das erste Teil 26 und das zweite Teil 28 sind so angeordnet, dass, wenn sie gegeneinander gedrückt werden, eine Kraft F aufgebracht wird, um das Formwerkzeug 20 des zweiten Teils 28 gegen den Bodenbereich des oberen Plattenteils 14 der Grundplatte zu drücken.
Das Bauteil 4 umfasst ein Substrat mit einer Keramikschicht 8, die zwischen einer ersten elektrisch leitenden Schicht 6 und einer zweiten elektrisch leitenden Schicht 10 angeordnet ist. In einer Ausführungsform ist das Bauteil 4 ein DBC-Substrat. Zwischen dem unteren Bereich des Substrats 4 und dem oberen Plattenteil 14 der Grundplatte ist ein Sintermaterial 30 (z. B. Sinterpaste oder Sintervorform) vorgesehen. Die elektronischen Elemente 22, 24 sind am oberen Bereich des Substrats 4 angebracht.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst den Schritt, das dreidimensionale Druckformwerkzeug 20 gleichzeitig mit dem Sintervorgang gegen die Unterseite der Grundplatte zu drücken und dadurch eine dreidimensionale Struktur auf dem Bodenbereich der Grundplatte zu erzeugen.
2B zeigt eine schematische Querschnittsansicht des in 2A gezeigten Halbleiter-Leistungsgeräts. Das Halbleiter-Leistungsgerät wurde aus der in 2A gezeigten und beschriebenen Sinterpresse 40 entnommen. Es ist zu erkennen, dass im Bodenbereich der Grundplatte 32 eine Struktur 38 erzeugt wurde.
Die Struktur 38 umfasst eine Vielzahl von voneinander beabstandeten konisch vertieften Bereichen 36. Die Struktur 38 umfasst eine Vielzahl von beabstandeten, vorstehenden Teilen 34. Die vorstehenden Teile 34 sind zwischen den vertieften Bereichen 36 angeordnet. Die Struktur 38 erstreckt sich entlang des mittleren Teils der Grundplatte 32.
3A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Teils 28 einer Sinterpresse, wobei das Teil 28 ein abnehmbar angeordnetes Formwerkzeug 20 umfasst, das von einem in dem Teil 28 vorgesehenen Aufnahmebereich 41 getrennt ist. Das Formwerkzeug 20 umfasst eine Vielzahl von formenden Strukturen 18, die gleichmäßig über das Mittelteil des Formwerkzeugs 20 verteilt sind.
3B zeigt eine schematische Querschnittsansicht des in 3A gezeigten Teils 28 der Sinterpresse in einer Konfiguration, in der das Formwerkzeug 20 abnehmbar an dem Teil 28 befestigt ist.
3C zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Teils 28 einer Sinterpresse, wobei das Teil 28 ein abnehmbar angeordnetes Formwerkzeug 20 umfasst, das von einem in dem Teil 28 vorgesehenen Aufnahmebereich 41 getrennt ist. Das Formwerkzeug 20 umfasst eine Vielzahl von formenden Strukturen 18, die über das Mittelteil des Formwerkzeugs 20 verteilt sind. Die formenden Strukturen 18 sind länger als die in 3A und 3B dargestellten formenden Strukturen 18 des Formwerkzeugs 20. Es ist möglich, die formenden Strukturen 18 auf verschiedene Weise zu gestalten.
3D zeigt eine schematische Querschnittsansicht des in 3C gezeigten Teils 28 der Sinterpresse in einer Konfiguration, in der das Formwerkzeug 20 abnehmbar an dem Teil 28 befestigt ist.
4A zeigt eine schematische Ansicht einer ersten formenden Struktur 18 eines Formwerkzeugs eines Teils einer erfindungsgemäßen Sinterpresse. Die formende Struktur 18 umfasst vorstehende Teile 34, die zwischen einem vertieften Bereich 36 angeordnet sind. Die vorstehenden Teile 34 und der vertiefte Bereich 36 weisen scharfkantige Eckbereiche auf.
4B zeigt eine schematische Ansicht einer zweiten formenden Struktur 18 eines Formwerkzeugs eines Teils einer erfindungsgemäßen Sinterpresse. Die formende Struktur 18 umfasst vorstehende Teile 34, die zwischen einem vertieften Bereich 36 angeordnet sind. Die vorstehenden Teile 34 sind abgerundet, während der vertiefte Bereich 36 scharfkantige Eckbereiche aufweist.
4C zeigt eine schematische Ansicht einer dritten formenden Struktur 18 eines Formwerkzeugs eines Teils einer erfindungsgemäßen Sinterpresse. Die formende Struktur 18 umfasst vorstehende Teile 34, die zwischen einem vertieften Bereich 36 angeordnet sind. Die vorstehenden Teile 34 umfassen scharfkantige Eckbereich. Der vertiefte Bereich 36 ist jedoch abgerundet.
4D zeigt eine schematische Ansicht einer vierten formenden Struktur 18 eines Formwerkzeugs eines Teils einer erfindungsgemäßen Sinterpresse. Die formende Struktur 18 umfasst vorstehende Teile 34, die zwischen einem vertieften Bereich 36 angeordnet sind. Sowohl die vorstehenden Teile 34 als auch der vertiefte Bereich 36 sind abgerundet.
5A zeigt eine perspektivische Bodenansicht eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Leistungsgeräts 2. Das Halbleiter-Leistungsgerät 2 umfasst ein geformtes Modul 42, das auf eine Grundplatte 32 gesintert ist, die auf der gegenüberliegenden Seite zu einer dreidimensionalen Struktur 38 geformt ist. Die dreidimensionale Struktur 38 hat eine zweidimensionale Ausdehnung in der Ebene der Grundplatte 32.
Das Halbleiter-Leistungsgerät 2 umfasst zwei Anschlüsse 44, 44', die an einem ersten Ende des Halbleiter-Leistungsgeräts 2 angeordnet sind, und zwei Anschlüsse 44", 44'", die an dem gegenüberliegenden Ende des Halbleiter-Leistungsgeräts 2 angeordnet sind. Vier Steuerstifte 46, 46', 46", 46'" erstrecken sich entlang der Längsachse der Grundplatte 32 und ragen daraus hervor.
5B zeigt eine perspektivische Draufsicht auf das in 5A gezeigte Halbleiter-Leistungsgerät von der gegenüberliegenden Seite.
6 zeigt ein Flussdiagramm, das die Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens illustriert.
Der erste Schritt I umfasst Folgendes:

Anordnen eines Bauteils 4 auf einer Oberseite einer Grundplatte 32 und Einsetzen des Bauteils 4 und der Grundplatte 32 in eine Sinterpresse 40.

Der zweite Schritt II umfasst Folgendes:

Durchführen eines Sintervorgangs, bei dem unter Aufheizung der Sinterpresse 40 ein Sinterdruck erzeugt wird, der das Bauteil 4 und die Grundplatte 32 verbindet.

Der dritte Schritt III umfasst Folgendes:

Öffnen der Sinterpresse 40 nach Durchführung des Sintervorgangs.

Der vierte Schritt IV umfasst Folgendes:

Entnahme des Halbleiter-Leistungsgeräts 2 aus der Sinterpresse 40.

Der fünfte Schritt V umfasst Folgendes:

Gleichzeitig mit dem Sintervorgang wird ein dreidimensionales Druckformwerkzeug 20 gegen die Unterseite der Grundplatte 32 gedrückt und dadurch eine dreidimensionale Struktur 38 auf einem unteren Bereich der Grundplatte 20 erzeugt.

Auch wenn es in 6 nicht dargestellt ist, kann der Sintervorgang vorzugsweise das Aufbringen eines Sintermaterials (z. B. einer Paste) auf eine oder beide Oberflächen eines der zu sinternden Teile unter Anwendung von Druck und/oder Temperatur umfassen.
Das Sintermaterial kann eine Sinterpaste sein. Alternativ kann das Sintermaterial auch eine Sintervorform sein.
Bezugszeichenliste

2: Leistungshalbleitergerät
4: Bauteil (z. B. ein Substrat)
6: elektrisch leitende Schicht (z. B. Kupfer)
8: Keramikschicht
10: elektrisch leitende Schicht (z. B. Kupfer)
12: Vergussteil
14: oberes Plattenteil
16: unteres Plattenteil
18: formende Struktur
20: Druckformwerkzeug
22: elektronisches Element
24: elektronisches Element
26: erster Teil der Sinterpresse
28: zweiter Teil der Sinterpresse
30: Sintermaterial
32: Grundplatte
34: vorstehendes Teil der Struktur
36: vertiefter Bereich der Struktur
38: Struktur
40: Sinterpresse
41: Aufnahmebereich
42: geformtes Modul
44, 44': Anschlüsse
44'', 44'''': Anschlüsse
46, 46': Steuerstift
46'', 46'''': Steuerstift
F: Kraft
XL: Längsachse

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Leistungsgeräts (2), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Anordnen eines Bauteils (4) auf einer Oberseite einer Grundplatte (32) und Einsetzen des Bauteils (4) und der Grundplatte (32) in eine Sinterpresse (40); - Durchführen eines Sinterprozesses, bei dem unter Erhitzung der zu verbindenden Teile (4, 32) ein Sinterdruck erzeugt wird, wodurch das Bauteil (4) und die Grundplatte (32) verbunden werden; - Öffnen der Sinterpresse (40) nach der Durchführung des Sinterprozesses und - Entnahme des Halbleiter-Leistungsgeräts (2) aus der Sinterpresse (40), wobei das Verfahren den Schritt umfasst, ein dreidimensionales Druckformwerkzeug (20) gleichzeitig mit dem Sinterprozess gegen die untere Oberfläche der Grundplatte (32) zu drücken und dadurch eine dreidimensionale Struktur (38) auf einem Bodenbereich der Grundplatte (32) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den folgenden Schritt umfasst: - Anordnen eines oder mehrerer elektronischer Elemente (22, 24), einschließlich mindestens eines Halbleiterelements (22), auf einer Oberseite einer elektrisch leitenden Schicht (6) des Bauteils (4) und - Anordnen der Unterseite des Bauteils (4), die dem einen oder mehreren elektronischen Elementen (22, 24) gegenüberliegt, auf der Grundplatte (32) vor der Durchführung des Sinterprozesses.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft (F), die aufgebracht wird, um das Druckformwerkzeug (20) gegen die Unterseite der Grundplatte (32) zu drücken, senkrecht zur Längsachse (X) der Grundplatte (32) verläuft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (38) eine Vielzahl von beabstandeten konisch vertieften Bereichen (36) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (38) eine Vielzahl von beabstandeten, vorstehenden Teilen (34) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (32) eine obere Schicht (14) aufweist, die an einer unteren Schicht (16) befestigt ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Schicht (14) aus einem anderen Material als die untere Schicht (16) hergestellt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterzeit im Bereich von 30-300 s, vorzugsweise 60-200 s, liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintertemperatur im Bereich von 200-300°C, vorzugsweise 220-270°C, liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den Schritt des Formens des Halbleiter-Leistungsgeräts (2) während des Sinterprozesses umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren umfasst: a) einen ersten Schritt, in dem eine erste dreidimensionale Struktur (38) erzeugt wird und b) einen zweiten Schritt, in dem die erste dreidimensionale Struktur (38) umgeformt wird, um eine zweite dreidimensionale Struktur (38) zu bilden.
Ein Werkzeugteil (28) für eine Sinterpresse (40), das Folgendes umfasst: - ein erstes Teil (26), - ein zweites Teil (28) und - einen Aufnahmeraum, der zwischen dem ersten Teil (26) und dem zweiten Teil (28) vorgesehen ist, wobei der Aufnahmeraum so konfiguriert ist, dass er Elemente (4, 22, 24) einschließlich einer Grundplatte (32) eines Leistungsgeräts (2) aufnimmt, die unter Verwendung der Sinterpresse (40) gesintert werden sollen, wobei die Sinterpresse (40) eine Hitzequelle umfasst, die so angeordnet und konfiguriert ist, dass sie das erste Teil (26) und/oder das zweite Teil (28) aufheizt, wobei das zweite Teil (28) so angeordnet und konfiguriert ist, dass es; a) in einem ersten Modus in Richtung des ersten Teils (26) bewegt wird, um das zweite Teil (28) gegen Elemente (4, 22, 24) zu drücken, die in dem Aufnahmeraum aufgenommen sind, und dadurch einen Druck zu erzeugen, der groß genug ist, um die Elemente (4, 22, 24) zusammenzusintern, um ein Leistungsgerät (2) zu bilden, und b) in einem zweiten Modus von dem ersten Teil (26) wegbewegt wird, um die Sinterpresse (40) zu öffnen, damit das gesinterte Leistungsgerät (2) aus der Sinterpresse (40) entnommen werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Teil (28) ein Formungswerkzeug (20) umfasst, das mit formenden Strukturen (18) versehen ist, die so konfiguriert sind, dass sie die Bildung einer dreidimensionalen Struktur (38) auf der Grundplatte (32) des Leistungsgeräts (2) ermöglichen.
Verwendung einer Sinterpresse (40) zur Herstellung eines Halbleiter-Leistungsgeräts (2), umfassend: - eine Grundplatte (32); - ein Bauteil (4), das mit Hilfe der Sinterpresse (40) auf der Grundplatte (32) befestigt wird; - ein oder mehrere elektronische Elemente (22, 24) mit mindestens einem Halbleiterelement (22), das auf einer Oberseite einer elektrisch leitenden Schicht (6) des Bauteils (4) angeordnet ist, fasst: - ein erstes Teil (26), - das zweite Teil (28) und - einen Aufnahmeraum, der zwischen dem ersten Teil (26) und dem zweiten Teil (28) vorgesehen ist, wobei der Aufnahmeraum so konfiguriert ist, dass er Elemente (4, 22, 24) einschließlich einer Grundplatte (32) eines Leistungsgeräts (2) aufnimmt, die unter Verwendung der Sinterpresse (40) gesintert werden sollen, wobei die Sinterpresse (40) eine Hitzequelle umfasst, die so angeordnet und konfiguriert ist, dass sie das erste Teil (26) und/oder das zweite Teil (28) aufheizt, wobei das zweite Teil (28) so angeordnet und konfiguriert ist, dass es; a) in einem ersten Modus in Richtung des ersten Teils (26) bewegt wird, um das zweite Teil (28) gegen Elemente (4, 22, 24) zu drücken, die in dem Aufnahmeraum aufgenommen sind, und dadurch einen Druck zu erzeugen, der groß genug ist, um die Elemente (4, 22, 24) zusammenzusintern, um ein Leistungsgerät (2) zu bilden, und b) in einem zweiten Modus von dem ersten Teil (26) wegbewegt wird, um die Sinterpresse (40) zu öffnen, damit das gesinterte Leistungsgerät (2) aus der Sinterpresse (40) entnommen werden kann, wobei das zweite Teil (28) ein Formungswerkzeug (20) umfasst, das mit formenden Strukturen (18) versehen ist, die so konfiguriert sind, dass sie die Bildung einer dreidimensionalen Struktur (38) auf der Grundplatte (32) des Leistungsgeräts (2) ermöglichen.
Halbleiter-Leistungsgerät (2), hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-10.