Halbleiterbaugruppe und Verfahren zur Herstellung der Halb leiterbaugruppe

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterbaugruppe, welche ein Trägerelement mit einer ersten Trägerelement-Leiterbahn, ei nen Halbleiter und ein elektrisch isolierendes Element mit einer ersten Isolationselement-Leiterbahn aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Halbleiterbaugruppe und ein Halbleiterbaugruppensystem mit mindestens zwei der Halbleiterbaugruppen.

Halbleiter von Halbleiterbaugruppen, wie sie beispielsweise im industriellen Umfeld als Leistungshalbleiter oder Leis- tungshalbleitermodule in Baugruppen von elektrischen An triebs- oder Automatisierungsgeräten zum Einsatz kommen, wer den mit Trägerelementen, meist in Form von Leiterplatten, über die darauf angeordneten Trägerelemente-Leiterbahnen so wohl mechanisch wie auch elektrisch mit der internen Periphe rie der genannten Geräte verbunden. Die Halbleiter weisen da bei meist nicht nur an einer ihrer Seiten mechanische und elektrische Verbindungen mit dem Trägerelement auf.

Insbesondere bei derartigen Leistungshalbleitermodulen werden die Anschlüsse dieser Halbleiter oft über zwei sich gegensei tig abgewandten Seiten des Halbleiters kontaktiert, wobei ein Teil der Anschlüsse an einer der Seiten des Halbleiters elektrisch und mechanisch oftmals auch über die auf einem elektrisch isolierenden Element, welches meist als Substrat aus Keramik ausgebildet ist, angeordnete Isolationselement- Leiterbahnen kontaktiert werden.

Ferner ist das elektrisch isolierende Element im Allgemeinen auch mit einem Kühlkörper verbunden, welcher im Betrieb der Halbleiter deren Wärmeverluste aufnimmt und an die weitere Umgebung abführt. Bei der Herstellung derartiger elektrischer und mechanischer Verbindungen werden oft SMD-Lötverfahren für eine stoff schlüssige mechanische Verbindungen angewandt, wobei die Er wärmung und der anschließende Abkühlungsvorgang des Verbin dungsmaterials, hier beispielsweise des Lotmaterials, zur Folge hat, dass sich beispielsweise das elektrisch isolieren de Element mit dem Halbleiter in Bezug auf das Trägerelement nicht wie vorgesehen parallel über die sich gegenüberliegen den Flächen von elektrisch isolierendem Element und Trä gerelement anordnen, sondern verkippen oder sich sogar in ih rer eigenen Struktur verziehen.

Dies geschieht u.a. dadurch, dass beim Aufschmelzen des Lot materials durch Ausgasung von dessen Binde- und Flussmittel ein für hohe Qualitätsanforderungen nur unzureichend ein schätzbarer Volumenschwund des Lotmaterials am Lotdepot auf- tritt. Ferner resultiert durch eine sich am Lotmaterial bil dende Benetzungskraft sowie durch die Abkühlung und Schrump fung des Lotmaterials eine anziehende Wirkung der mechanisch und elektrisch zu verbindenden Bauelemente.

Eine Möglichkeit, die mechanisch und elektrisch zu verbinden den Bauelemente, wie Halbleiter, Trägerelement und elektrisch isolierendes Element, auch nach dem thermischen Verbindungs prozess, hier beispielsweise nach dem SMD-Lötprozess , in ih rer gegenüberliegenden Anordnung parallel zu halten und nicht zu verkippen, können entsprechende Fixierwerkzeuge oder auch Fixierkleber zur Fixierung der beispielsweise zu lötenden Bauelement bieten.

Diese bekannten Lösungen stellen jedoch an den Herstellungs prozess von Halbleiterbaugruppen sehr hohe Anforderungen bzgl . der Erreichung der geforderten Qualität mit den aufge zeigten Mitteln, welche unter Berücksichtigung von immer ein geschränkteren Kostenstrukturen der Hersteller nur noch schwer erreichbar ist. Ferner besteht die Gefahr, dass bei einer betriebsbedingten, insbesondere übermäßigen Erwärmung der Halbleiterbaugruppe eine erneute thermische Beanspruchung der durch den Lötpro zess am Lotdepot entstandenen Verbindungen erfolgt, so dass das beschriebene Verkippen in Ermanglung einer ausreichenden Fixierung der genannten Bauelemente nunmehr erstmals auftre- ten kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Halblei terbaugruppe und ein Verfahren zur Herstellung der Halblei terbaugruppe vorzuschlagen, welche ein Verkippen von Bauele menten der Halbleiterbaugruppe nach einer thermischen Behand lung von Verbindungsmaterialien zur Erzeugung mechanischer Verbindungen, welche auch elektrische Verbindungen bereit stellen, innerhalb der Halbleiterbaugruppe verhindern oder gegenüber dem Stand der Technik verbessern.

Die Aufgabe wird durch eine Halbleiterbaugruppe mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Ferner wird die Auf gabe durch ein Verfahren zur Herstellung der Halbleiterbau gruppe nach Anspruch 12 und ein Halbleiterbaugruppensystem nach Anspruch 13 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Halbleiterbaugruppe sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde, dass gegenüber dem Stand der Technik Fixier- bzw. Abstandse lemente benötigt werden, welche in den Herstellungsprozess von Halbleiterbaugruppen aufwandsarm einbringbar sind, unbe einflussbar von thermischer Behandlungen der Verbindungsmate rialien zur Erzeugung von mechanischen wie mecha

nisch/elektrischen Verbindungen sind und im Betrieb dauerhaft die beschriebene Verkippung von Bauelementen bei z.T. auch kurzzeitigen Erwärmungen über einen Wert für die Erwärmung der Halbleiterbaugruppe bei Dauerbetrieb hinaus (z.B. kurz zeitige Spitzenlast) verhindern. Für die Lösung der Aufgabe wird eine Halbleiterbaugruppe vor geschlagen, welche ein Trägerelement mit einer ersten Trä gerelement-Leiterbahn, einen Halbleiter, ein elektrisch iso lierendes Element, aufweisend eine erste Isolationselement- Leiterbahn, ein erstes Abstandselement und mindestens ein weiteres Abstandselement umfasst, wobei der Halbleiter an ei ner ersten Halbleiterseite mittels eines ersten Verbindungs materials mit der ersten Trägerelement-Leiterbahn elektrisch und mechanisch verbunden ist, wobei der Halbleiter an einer zweiten Halbleiterseite, welche von der ersten Halbleitersei te des Halbleiters abgewandt ist, mittels eines zweiten Ver bindungsmaterials mit der ersten Isolationselement- Leiterbahn, welche an einer ersten Isolationselementseite des elektrisch isolierenden Elements angeordnet ist, elektrisch und mechanisch verbunden ist, wobei das erste Abstandselement zum Halten eines Abstands zwischen dem Trägerelement und ei nem der zweiten Halbleiterseite des Halbleiters zugewandten Baugruppenelement angeordnet und jeweils mit dem Trägerele ment und dem Baugruppenelement mechanisch verbunden ist, wo bei das weitere Abstandselement ebenfalls zum Halten des Ab stands zwischen dem Trägerelement und dem der zweiten Halb leiterseite des Halbleiters zugewandten Baugruppenelement an geordnet und mechanisch mit dem Trägerelement und dem Bau gruppenelement verbunden ist, wobei das erste Abstandselement und zumindest das eine weitere Abstandselement als ein ge meinsames Abstandselement ausbildet ist und wobei das gemein same Abstandselement aus zumindest zwei Segmenten besteht und einen geschlossenen oder zumindest annähernd geschlossenen Rahmen bildet.

Das erste Abstandselement verhindert auf vorteilhafte Weise ein Verkippen des Baugruppenelements und beispielsweise daran mechanisch befestigter weiterer Bauelemente gegenüber dem Trägerelement, indem das erste Abstandselement den Abstand zwischen Baugruppenelement und Trägerelement definiert und unabhängig von thermischen Belastungen während der Herstel lung und im Betrieb der Halbleiterbaugruppe, welche auch über die thermische Behandlung der Verbindungsmaterialien zur Her- Stellung von elektrischen und mechanischen Verbindung hinaus gehen kann, das Baugruppenelement zumindest in Bezug auf das Trägerelement fixiert und auf Abstand hält.

Die erfindungsgemäße Halbleiterbaugruppe unterstützt ferner eine Kontaktierung des Halbleiters von zwei jeweils gegenei nander abgewandten Seiten des Halbleiters zum Einen über die erste Trägerelement-Leiterbahn des Trägerelements zum Anderen über die erste Isolationselement-Leiterbahn des elektrisch isolierenden Elements. Das elektrisch isolierende Element kann dabei zumindest zum Teil auch als entwärmendes Bauele ment (als Kühlkörper) für eine betriebliche Entwärmung des Halbleiters vorgesehen sein.

Der durch das gemeinsame Abstandselement gebildete Rahmen kann beispielsweise den Halbleiter vorteilhaft umschließen.

Ein annähernd geschlossener Rahmen weist zumindest eine Öff nung im Rahmen auf, mittels der beispielsweise eine elektri sche Verbindung von außerhalb des Rahmens in den vom Rahmen umschlossenen Innenraum einführbar ist oder eine Vergussmasse von außerhalb des Rahmens in den vom Rahmen umschlossenen In nenraum einbringbar ist.

Jedoch ist auch denkbar, dass das erste Abstandselement für sich allein einen geschlossenen oder einen zumindest annä hernd geschlossenen Rahmen bildet.

Bei einer alternativen, nicht von dieser Erfindung umfassten Ausführungsform, umfasst eine Halbleiterbaugruppe ein Trä gerelement mit einer ersten Trägerelement-Leiterbahn, einen Halbleiter, ein elektrisch isolierendes Element, aufweisend eine erste Isolationselement-Leiterbahn, und ein erstes Ab standselement, wobei der Halbleiter an einer ersten Halblei terseite mittels eines ersten Verbindungsmaterials mit der ersten Trägerelement-Leiterbahn elektrisch und mechanisch verbunden ist, wobei der Halbleiter an einer zweiten Halblei terseite, welche von der ersten Halbleiterseite des Halblei- ters abgewandt ist, mittels eines zweiten Verbindungsmateri als mit der ersten Isolationselement-Leiterbahn, welche an einer ersten Isolationselementseite des elektrisch isolieren den Elements angeordnet ist, elektrisch und mechanisch ver bunden ist, wobei das erste Abstandselement zum Halten eines Abstands zwischen dem Trägerelement und einem der zweiten Halbleiterseite des Halbleiters zugewandten Baugruppenelement angeordnet und jeweils mit dem Trägerelement und dem Baugrup penelement mechanisch verbunden ist.

Bei einer ersten vorteilhaften Ausgestaltungsform der Halb leiterbaugruppe umfasst die Halbleiterbaugruppe mindestens ein weiteres Abstandselement, wobei das weitere Abstandsele ment zum Halten des Abstands zwischen dem Trägerelement und dem der zweiten Halbleiterseite des Halbleiters zugewandten Baugruppenelement angeordnet und mechanisch mit dem Trä gerelement und dem Baugruppenelement verbunden ist.

Ein weiteres Abstandselement verbessert hier in vorteilhafter Weise die Stabilität der Fixierung und der Haltung des Ab standes zwischen dem Trägerelement und dem Baugruppenelement und erhöht somit die Verkippungssicherheit durch z.B. eine geometrische Anordnung der entsprechenden Abstandselemente je nach Bedarf, wobei der Bedarf sich dann z.B. aus der geomet rischen Aufbaustruktur der Halbleiterbaugruppe ableitet.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Halb leiterbaugruppe sind das erste Abstandselement und, falls vorhanden, das weitere Abstandselement im betriebsführenden Zustand der Halbleiterbaugruppe zumindest elektrisch stromlos oder elektrisch spannungsfrei und elektrisch stromlos.

Der Vorteil dieser Ausgestaltungsform besteht z.B. darin, dass die Abstandselemente nicht nur aus elektrisch leitenden Materialien bestehen müssen. Auch mechanisch stabile und im Wesentlichen nichtleitbare Materialien, wie Kunststoffe und Keramiken, können demnach für die Ausbildung der Abstandsele mente eingesetzt werden. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Halb leiterbaugruppe sind das erste Abstandselement und, falls vorhanden, das weitere Abstandselement jeweils einteilig oder mehrteilig, insbesondere schichtartig, ausgebildet.

Durch die mehrteilige, insbesondere mehrschichtige Ausbildung der Abstandselemente wird mittels der Abstandselemente eine feingranulare, anforderungsbezogene Einstellung zum Halten des Abstandes zwischen dem Trägerelement und dem Baugruppen element erzeugt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Halb leiterbaugruppe ist das Baugruppenelement das elektrisch iso lierende Element oder ist das Baugruppenelement ein Wärmelei telement, welches an einer von der ersten Isolationselements eite abgewandten zweiten Isolationselementseite des

elektrisch isolierenden Elements angeordnet und mit dem elektrisch isolierenden Element mechanisch verbunden ist oder ist das Baugruppenelement ein Kühlkörper, welcher an einer von der ersten Isolationselementseite abgewandten zweiten Isolationselementseite des elektrisch isolierenden Elements angeordnet und mit dem elektrisch isolierenden Element unmit telbar oder über ein Wärmeleitelement mechanisch verbunden ist .

Je nach strukturellem Aufbau der Halbleiterbaugruppe und de ren räumlichen Möglichkeiten können in vorteilhafter Weise das erste Abstandselement und, falls vorhanden, das weitere Abstandselement zwischen dem Trägerelement und verschiedenen hier als Baugruppenelement benannten Elementen, dem

elektrisch isolierenden Element, dem Wärmeleitelement und dem Kühlkörper, zum Halten des Abstandes und zum Fixieren ange ordnet werden. Damit ist ein flexibler Aufbau der Halbleiter baugruppe je nach Kundenanforderung und technischer Weiter entwicklung möglich. Das Wärmeleitelement (z.B. ausgebildet als Wärmeleitpad oder Wärmeleitpaste aufweisend) wird oftmals zur besseren Entwär- mung des Halbleiters unmittelbar zwischen das elektrisch iso lierende Element (z.B. ein Keramiksubstrat an welchem der Halbleiter kontaktiert ist) und dem Kühlkörper (meist das hauptsächliche Entwärmungselement der Halbleiterbaugruppe) eingebracht .

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Halb leiterbaugruppe, dann wenn das Baugruppenelement das

elektrisch isolierende Element ist, weisen das erste Abstand selement und, falls vorhanden, das weitere Abstandselement jeweils eine erste Höhe auf, deren Höhenwert maximal den Ab standswert eines ersten Abstands zwischen dem elektrisch iso lierenden Element und dem Trägerelement im unmittelbaren Be reich der mechanischen Verbindung des jeweiligen Abstandsele ments mit dem elektrisch isolierenden Element und dem Trä gerelement annehmen kann.

Mit dieser vorteilhaften Ausgestaltungsform wird die erste Höhe der Abstandselemente derart begrenzt, dass einerseits der notwendige erste Abstand zwischen Trägerelement und elektrisch isolierende Element gehalten wird, um das Trä gerelement und das elektrisch isolierende Element gegeneinan der ausreichend zu fixieren, und andererseits darauf geachtet wird, dass der Raum (z.B. für Lotdepot) für das Verbindungs material (z.B. das Lot) für die Herstellung von mechanischen und elektrischen Verbindungen je nach thermischen Behand lungsverfahren (z.B. durch Löten) für eine qualitativ hoch wertige Verbindung (z.B. eine niederohmige und niederindukti ve elektrische Verbindung) weder zu gering noch zu groß ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Halb leiterbaugruppe, dann wenn das Baugruppenelement das Wärme leitelement ist, weisen das Abstandselement und, falls vor handen, das weitere Abstandselement jeweils eine zweite Höhe auf, deren Höhenwert maximal den Abstandswert eines zweiten Abstands zwischen dem Wärmeleitelement und dem Trägerelement im unmittelbaren Bereich der mechanischen Verbindung des je weiligen Abstandselements mit dem Wärmeleitelement und dem Trägerelement annehmen kann.

Mit dieser vorteilhaften Ausgestaltungsform wird die zweite Höhe der Abstandselemente derart begrenzt, dass einerseits der notwendige zweite Abstand zwischen Trägerelement und Wär- meleitelement gehalten wird, um das Trägerelement und das Wärmeleitelement gegeneinander ausreichend zu fixieren, und andererseits darauf geachtet wird, dass der Raum (z.B. das Lotdepot) für das Verbindungsmaterial (z.B. das Lot) für die Herstellung von mechanischen und elektrischen Verbindungen je nach thermischen Behandlungsverfahren (z.B. durch Löten) für eine qualitativ hochwertige Verbindung (z.B. eine niederohmi ge und niederinduktive elektrische Verbindung) weder zu ge ring noch zu groß ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Halb leiterbaugruppe, dann wenn das Baugruppenelement der Kühlkör per ist, weisen das Abstandselement und, falls vorhanden, das weitere Abstandselement jeweils eine dritte Höhe auf, deren Höhenwert maximal den Abstandswert eines dritten Abstands zwischen dem Kühlkörper und dem Trägerelement im unmittelba ren Bereich der mechanischen Verbindung des jeweiligen Ab standselements mit dem Kühlkörper und dem Trägerelement an nehmen kann.

Mit dieser vorteilhaften Ausgestaltungsform wird die erste Höhe der Abstandselemente derart begrenzt, dass einerseits der notwendige erste Abstand zwischen Trägerelement und Kühl körper gehalten wird, um das Trägerelement und den Kühlkörper gegeneinander ausreichend zu fixieren, und andererseits da rauf geachtet wird, dass der Raum (z.B. das Lotdepot) für das Verbindungsmaterial (z.B. das Lot) für die Herstellung von mechanischen und elektrischen Verbindungen je nach thermi schen Behandlungsverfahren (z.B. durch Löten) für eine quali tativ hochwertige Verbindung (z.B. eine niederohmige und nie- derinduktive elektrische Verbindung) weder zu gering noch zu groß ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Halb leiterbaugruppe sind an einer oder an beiden der sich gegen überliegenden Seiten des Trägerelements und des Baugruppen elements Ausbuchtungen vorgesehen, welche den jeweils ersten Abstand oder den jeweils zweiten Abstand oder den jeweils dritten Abstand an der Stelle zwischen dem Trägerelement und dem Baugruppenelement reduzieren, an dem das erste Abstandse lement und, falls vorhanden, das weitere Abstandselement an geordnet sind.

Diese Ausbuchtungen des Baugruppenelements und/oder des Trä gerelements können vorteilhaft als eine monolithisch Einheit mit dem Baugruppenelement und/oder dem Trägerelement ausbil det sein oder z.B. formschlüssig oder kraftschlüssig mit dem Baugruppenelement und/oder dem Trägerelement mechanisch ver bunden sein. Möglich ist auch, dass diese Ausbuchtungen teil weise oder vollständig Abstandshalter ausbilden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Halb leiterbaugruppe ist die erste Isolationselement-Leiterbahn mittels eines vierten Verbindungsmaterials mit einer zweiten Trägerelement-Leiterbahn elektrisch und mechanisch verbunden.

Mittels dieser mechanischen Verbindung wird in vorteilhafter Weise eine erste elektrische Kontaktierung von Kontakten, welche auf der zweiten Halbleiterseite des Halbleiters ange ordnet sind und elektrischen Bauelementen, welche auf dem Trägerelement angeordnet sind bzw. über das Trägerelement er reichbar sind, erzeugt, wobei das Trägerelement von der zwei ten Halbleiterseite des Halbleiters abgewandt ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Halb leiterbaugruppe ist der Halbleiter an der zweiten Halbleiter seite mittels eines dritten Verbindungsmaterials mit einer zweiten Isolationselement-Leiterbahn, welche an der ersten Isolationselementseite des elektrisch isolierenden Elements angeordnet ist, elektrisch und mechanisch verbunden und ist die zweite Isolationselement-Leiterbahn mittels eines fünften Verbindungsmaterials mit einer dritten Trägerelement- Leiterbahn elektrisch und mechanisch verbunden.

Mittels dieser mechanischen Verbindung wird in vorteilhafter Weise eine weitere elektrische Kontaktierung von Kontakten, welche auf der zweiten Halbleiterseite des Halbleiters ange ordnet sind und elektrischen Bauelementen, welche auf dem Trägerelement angeordnet sind bzw. über das Trägerelement er reichbar sind, erzeugt, wobei das Trägerelement von der zwei ten Halbleiterseite Seite des Halbleiters abgewandt ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Halb leiterbaugruppe sind der AufSchmelzpunkt des ersten Abstand selements und, falls vorhanden, der AufSchmelzpunkt des Wei teren Abstandselements höher, als der jeweilige Aufschmelz punkt der, soweit vorhanden, Verbindungsmaterialien.

Diese vorteilhafte Ausgestaltungsform verhindert, dass die Abstandselemente während einer thermischen Behandlung (z.B. Löten) der Verbindungsmaterialien (z.B. Lotmaterial wie Löt zinn) in ihrer Struktur beschädigt oder sogar zerstört werden und so nicht mehr zum Halten des Abstandes und zum Fixieren von Trägerelement und Baugruppenelement geeignet sind. Mate rialien für Abstandshalter, welche eine derartige Anforderung erfüllen, können z.B. aus Metall, Keramik aber auch aus be sonders hitzebeständigem Kunststoff bestehen.

Für die Lösung der Aufgabe wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Halbleiterbaugruppe vor geschlagen, welches die folgenden Verfahrensschritte auf weist.

In einem ersten Schritt erfolgt ein formschlüssiges oder kraftschlüssiges oder Stoffschlüssiges Anbringen eines ersten Abstandselements und, falls vorhanden, eines weiteren Ab- Standselements an ein Trägerelement und/oder ein Baugruppen element der Halbleiterbaugruppe.

In einem zweiten Schritt erfolgt ein Aufbringen eines ersten Verbindungsmaterials auf eine erste Halbleiterseite eines Halbleiters und/oder auf eine erste Trägerelement-Leiterbahn eines Trägerelements der Halbleiterbaugruppe.

In einem dritten Schritt erfolgt ein Aufbringen eines vierten Verbindungsmaterials auf eine erste Isolationselement- Leiterbahn eines elektrischen isolierenden Elements und/oder auf eine zweite Trägerelement-Leiterbahn des Trägerelements der Halbleiterbaugruppe.

In einen vierten Schritt erfolgt ein Aufbringen eines fünften Verbindungsmaterials auf eine zweite Isolationselement- Leiterbahn des elektrisch isolierenden Elements und/oder auf eine dritte Trägerelement-Leiterbahn des Trägerelements, falls eine weitere elektrische und mechanische Verbindung zwischen der zweiten Isolationselement-Leiterbahn und der dritten Trägerelement-Leiterbahn der Halbleiterbaugruppe vor gesehen ist.

In einem fünften Schritt erfolgt ein Anbringen des Trägerele ments und des Baugruppenelements an das erste Abstandselement und, falls vorhanden, an das weitere Abstandselement.

In einem sechsten Schritt erfolgt eine thermische Behandlung des ersten Verbindungsmaterials, des vierten Verbindungsmate rials und, falls vorgesehen, des fünften Verbindungsmaterials zur Herstellung Stoffschlüssiger elektrischer und mechani scher Verbindungen an den Trägerelement-Leiterbahnen, den Isolationselement-Leiterbahnen und dem Halbleiter.

Als thermische Behandlung kann hier beispielhaft ein Lötpro zess genannt werden, welcher das Verbindungsmaterial (das Lot) derart thermisch behandelt, dass eine mechanische und elektrische Verbindung von Baugruppenelement und Trägerele- ment (z.B. über deren Leiterbahnen) erzeugt wird. Ferner kön nen Verbindungsmaterialien auch mittels Sinterprozessen zur Erzeugung einer derartigen mechanischen und elektrischen Ver bindung thermisch behandelt werden.

Für die Lösung der Aufgabe wird ebenfalls ein Halbleiterbau gruppensystem mit mindestens zwei erfindungsgemäßen Halblei terbaugruppen vorgeschlagen, wobei die Kühlkörper der jewei ligen Halbleiterbaugruppen einen gemeinsamen Kühlkörper aus bilden .

Der gemeinsam ausgebildete Kühlkörper eignet sich dabei be sonders vorteilhaft, den modularen Aufbau des Halbleiterbau gruppensystems sowie die mechanische Stabilität und die Ent- wärmung der Halbleiterbaugruppen im Halbleiterbaugruppensys tem zu verbessern.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam menhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbei spiele, die im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Es zeigt:

FIG 1 eine schematische Darstellung einer Halbleiterbau gruppe nach dem Stand der Technik,

FIG 2 eine erste schematische Darstellung der erfindungs gemäßen Halbleiterbaugruppe mit einem ersten und einem weiteren Abstandselement, welche jeweils zwi schen einem Trägerelement und einem Baugruppenele ment angeordnet und mechanisch mit dem Trägerele ment und dem Baugruppenelement verbunden sind, wo bei das Baugruppenelement als elektrisch isolieren des Element ausgebildet ist,

FIG 3 eine zweite schematische Darstellung der erfin

dungsgemäßen Halbleiterbaugruppe nach FIG 1 mit ei- nem ersten und einem weiteren Abstandselement, wel che jeweils zwischen dem Trägerelement und dem Bau gruppenelement angeordnet und mechanisch mit dem Trägerelement und dem Baugruppenelement verbunden sind, wobei das Baugruppenelement als Wärmeleitele ment ausgebildet ist,

FIG 4 eine dritte schematische Darstellung der erfin

dungsgemäßen Halbleiterbaugruppe nach FIG 1 mit ei nem ersten und einem weiteren Abstandselement, wel che jeweils zwischen dem Trägerelement und dem Bau gruppenelement angeordnet und mechanisch mit dem Trägerelement und dem Baugruppenelement verbunden sind, wobei das Baugruppenelement als Kühlkörper ausgebildet ist,

FIG 5 eine vierte schematische Darstellung dreier erfin dungsgemäßer Halbleiterbaugruppen nach FIG 1, wel che gemeinsam ein Halbleiterbaugruppensystem bilden und

FIG 6 ein Struktogramm mit einem Verfahren zur Herstel lung der erfindungsgemäßen Halbleiterbaugruppe nach einer der FIGen 2 bis 4.

Die FIG 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Halblei terbaugruppe 1" nach dem Stand der Technik.

An einer ersten Trägerelement-Leiterbahn 3" eines Trägerele ments 2" ist ein Halbleiter 4" mit seiner ersten Halbleiter seite 8", welche dem Trägerelement 2 " zugewandt ist, über ein erstes Verbindungsmaterial 9" elektrisch und mechanisch ver bunden .

Der Halbleiter 4" ist weiterhin mit seiner zweiten Halblei terseite 10" einerseits über ein zweites Verbindungsmaterial 11" mit einer ersten Isolationselement-Leiterbahn 6" eines elektrisch isolierenden Elements 5" und andererseits über ein drittes Verbindungsmaterial 18" mit einer zweiten Isolations element-Leiterbahn 19" des elektrisch isolierenden Elements 5" mit dem elektrisch isolierenden Element 5" an dessen ers ter Isolationselementseite 13" mechanisch und elektrisch ver bunden .

Ferner ist die erste Isolationselement-Leiterbahn 6" über ein viertes Verbindungsmaterial 22" mit einer zweiten Trägerele ment-Leiterbahn 20" des Trägerelements 2" und die zweite Iso lationselement-Leiterbahn 19" über ein fünftes Verbindungsma terial 23" mit einer dritten Trägerelement-Leiterbahn 21" des Trägerelements 2" elektrisch und mechanisch verbunden.

An der zweiten Isolationselementseite 14" des elektrisch iso lierenden Elements 5" ist ein Wärmeleitelement 15" angeord net. Dieses Wärmeleitelement 15" wird im Allgemeinen dann eingesetzt, wenn die Entwärmung des Halbleiters 4" über das elektrisch isolierende Element 5" verbessert werden soll und ein entsprechender thermischer Übergang z.B. zu einem Kühl körper (in FIG 1 nicht gezeigt) unterstützt werden soll. Wenn ein derartiger Kühlkörper mit der zweiten Isolationselements eite 14" des elektrisch isolierenden Elements 5" verbunden ist, können auch Materialunebenheiten dieser mecha

nisch/thermischen Verbindung mit dem unmittelbaren Einbringen des Wärmeleitelements 15" in diese mechanisch/thermischen Verbindung ausgeglichen werden.

In der schematischen Darstellung der FIG 1 ist deutlich eine Verkippung des elektrisch isolierenden Elements 5" gegenüber dem Trägerelement 2" zu sehen, wie dies z.B. nach einem Löt vorgang beim Stand der Technik auftreten kann. In der Praxis bewegt sich der Weg der Verkippung aus der parallelen Anord nung von elektrisch isolierendem Element 5" und Trägerelement 2" heraus oftmals nur im pm-Bereich, was aber schon eine qua litativ negative Auswirkung auf den Einsatz der Halbleiter baugruppe 1" haben kann. Mittels der FIG 2 wird eine erste schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Halbleiter baugruppe 1 mit einem ersten Abstandselement 7 und einem wei teren Abstandselement 24, welche jeweils zwischen einem Trä gerelement 2 und einem Baugruppenelement 12 angeordnet und mechanisch mit dem Trägerelement 2 und dem Baugruppenelement 12 verbunden sind, aufgezeigt, wobei das Baugruppenelement 12 als elektrisch isolierendes Element 5 ausgebildet ist.

An einer ersten Trägerelement-Leiterbahn 3 des Trägerelements 2 ist ein Halbleiter 4 mit seiner ersten Halbleiterseite 8, welche dem Trägerelement 2 zugewandt ist, über ein erstes Verbindungsmaterial 9 elektrisch und mechanisch verbunden.

Der Halbleiter 4 ist weiterhin mit seiner zweiten Halbleiter seite 10 einerseits über ein zweites Verbindungsmaterial 11 mit einer ersten Isolationselement-Leiterbahn 6 des

elektrisch isolierenden Elements 5 und andererseits über ein drittes Verbindungsmaterial 18 mit einer zweiten Isolations element-Leiterbahn 19 des elektrisch isolierenden Elements 5 mit dem elektrisch isolierenden Element 5 an dessen erster Isolationselementseite 13 mechanisch und elektrisch verbun den .

Ferner ist die erste Isolationselement-Leiterbahn 6 über ein viertes Verbindungsmaterial 22 mit einer zweiten Trägerele ment-Leiterbahn 20 des Trägerelements 2 und die zweite Isola tionselement-Leiterbahn 19 über ein fünftes Verbindungsmate rial 23 mit einer dritten Trägerelement-Leiterbahn 21 des Trägerelements 2 elektrisch und mechanisch verbunden.

An der zweiten Isolationselementseite 14 des elektrisch iso lierenden Elements 5 ist ein Wärmeleitelement 15 angeordnet. Mittels dieses Wärmeleitelements 15 ist ein Kühlkörper 16 mit dem elektrisch isolierenden Element 5 mechanisch und ther misch verbunden. Zum Halten eines ersten Abstands Al von dem Trägerelement 2 zu dem elektrisch isolierenden Element 5 (dem Baugruppenele ment 12) und zum Fixieren derselben sind zwischen dem Trä gerelement 2 und dem elektrisch isolierenden Element 5 in ei nem Bereich von Ausbuchtungen 17 an der ersten Isolationsele mentseite 13 des elektrisch isolierenden Elements 5 und des gegenüberliegen Trägerelements 2 das erste Abstandselement 7 und das weitere Abstandselement 24 angeordnet und jeweils me chanisch mit dem elektrisch isolierenden Element 5 und dem Trägerelement 2 verbunden.

Eine jeweils erste Höhe Hl der beiden Abstandselemente 7, 24 (in FIG 2 ist die erste Höhe Hl nur für das erste Abstandse lement 7 dargestellt) ist kleiner als der erste Abstand Al von dem Trägerelement 2 zu dem elektrisch isolierenden Ele ment 5. Die jeweiligen Höhenwerten der ersten Höhe Hl der beiden Abstandselemente 7, 24 sind mit Bezug zu dem Abstands wert des ersten Abstands Al durch die jeweiligen Ausbuchtun gen 17 entsprechend reduziert.

Die FIG 3 zeigt eine zweite schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Halbleiterbaugrup pe 1 nach FIG 1 mit einem ersten Abstandselement 7 und einem weiteren Abstandselement 24, welche jeweils zwischen dem Trä gerelement 2 und dem Baugruppenelement 12 angeordnet und me chanisch mit dem Trägerelement 2 und dem Baugruppenelement 12 verbunden sind, wobei das Baugruppenelement 12 als Wärmelei telement 15 ausgebildet ist.

An einer ersten Trägerelement-Leiterbahn 3 des Trägerelements 2 ist ein Halbleiter 4 mit seiner ersten Halbleiterseite 8, welche dem Trägerelement 2 zugewandt ist, über ein erstes Verbindungsmaterial 9 elektrisch und mechanisch verbunden.

Der Halbleiter 4 ist weiterhin mit seiner zweiten Halbleiter seite 10 einerseits über ein zweites Verbindungsmaterial 11 mit einer ersten Isolationselement-Leiterbahn 6 des

elektrisch isolierenden Elements 5 und andererseits über ein drittes Verbindungsmaterial 18 mit einer zweiten Isolations element-Leiterbahn 19 des elektrisch isolierenden Elements 5 mit dem elektrisch isolierenden Element 5 an dessen erster Isolationselementseite 13 mechanisch und elektrisch verbun den .

Ferner ist die erste Isolationselement-Leiterbahn 6 über ein viertes Verbindungsmaterial 22 mit einer zweiten Trägerele ment-Leiterbahn 20 des Trägerelements 2 und die zweite Isola tionselement-Leiterbahn 19 über ein fünftes Verbindungsmate rial 23 mit einer dritten Trägerelement-Leiterbahn 21 des Trägerelements 2 elektrisch und mechanisch verbunden.

An der zweiten Isolationselementseite 14 des elektrisch iso lierenden Elements 5 ist ein Wärmeleitelement 15 angeordnet. Über dieses Wärmeleitelement 15 ist ein Kühlkörper 16 mit dem elektrisch isolierenden Element 5 mechanisch und thermisch verbunden .

Zum Halten eines zweiten Abstands A2 von dem Trägerelement 2 zu dem Wärmeleitelement 15 (dem Baugruppenelement 12) und zum Fixieren derselben sind zwischen dem Trägerelement 2 und dem Wärmeleitelement 15 das erste Abstandselement 7 und das wei tere Abstandselement 24 angeordnet und jeweils mechanisch mit dem Wärmeleitelement 15 und dem Trägerelement 2 verbunden.

Eine jeweils zweite Höhe H2 der beiden Abstandselemente 7, 24 (in FIG 3 ist die zweite Höhe H2 nur für das erste Abstandse lement 7 dargestellt) ist gleich dem zweiten Abstand A2 von dem Trägerelement 2 zu dem Wärmeleitelement 15.

Eine dritte schematische Darstellung eines Ausführungsbei spiels der erfindungsgemäßen Halbleiterbaugruppe 1 nach FIG 1 mit einem ersten Abstandselement 7 und einem weiteren Ab standselement 24, welche jeweils zwischen dem Trägerelement 2 und dem Baugruppenelement 12 angeordnet und mechanisch mit dem Trägerelement 2 und dem Baugruppenelement 12 verbunden sind, wird in der FIG 4 aufgezeigt, wobei das Baugruppenele ment 12 als Kühlkörper 16 ausgebildet ist.

An einer ersten Trägerelement-Leiterbahn 3 des Trägerelements 2 ist ein Halbleiter 4 mit seiner ersten Halbleiterseite 8, welche dem Trägerelement 2 zugewandt ist, über ein erstes Verbindungsmaterial 9 elektrisch und mechanisch verbunden.

Der Halbleiter 4 ist weiterhin mit seiner zweiten Halbleiter seite 10 einerseits über ein zweites Verbindungsmaterial 11 mit einer ersten Isolationselement-Leiterbahn 6 des

elektrisch isolierenden Elements 5 und andererseits über ein drittes Verbindungsmaterial 18 mit einer zweiten Isolations element-Leiterbahn 19 des elektrisch isolierenden Elements 5 mit dem elektrisch isolierenden Element 5 an dessen erster Isolationselementseite 13 mechanisch und elektrisch verbun den .

Ferner ist die erste Isolationselement-Leiterbahn 6 über ein viertes Verbindungsmaterial 22 mit einer zweiten Trägerele ment-Leiterbahn 20 des Trägerelements 2 und die zweite Isola tionselement-Leiterbahn 19 über ein fünftes Verbindungsmate rial 23 mit einer dritten Trägerelement-Leiterbahn 21 des Trägerelements 2 elektrisch und mechanisch verbunden.

An der zweiten Isolationselementseite 14 des elektrisch iso lierenden Elements 5 ist ein Wärmeleitelement 15 angeordnet. Über dieses Wärmeleitelement 15 ist ein Kühlkörper 16 mit dem elektrisch isolierenden Element 5 mechanisch und thermisch verbunden .

Zum Halten eines dritten Abstands A3 von dem Trägerelement 2 zu dem Kühlkörper 16 (dem Baugruppenelement 12) und zum Fi xieren derselben sind zwischen dem Trägerelement 2 und dem Kühlkörper 16 das erste Abstandselement 7 und das weitere Ab standselement 24 angeordnet und jeweils mechanisch mit dem Kühlkörper 16 und dem Trägerelement 2 verbunden. Eine jeweils dritte Höhe H3 der beiden Abstandselemente 7, 24 (in FIG 4 ist die dritte Höhe H3 nur für das erste Abstandse lement 7 dargestellt) ist gleich dem dritten Abstand A3 von dem Trägerelement 2 zu dem Kühlkörper 16.

Die FIG 5 zeigt eine vierte schematische Darstellung dreier erfindungsgemäßer Halbleiterbaugruppen 1 nach FIG 1, welche gemeinsam ein Halbleiterbaugruppensystem 26 bilden.

Die hier in FIG 5 dargestellten drei Halbleiterbaugruppen 1 entsprechen jeweils der Halbleiterbaugruppe 1, wie sie mit der FIG 2 aufgezeigt wurde.

Dabei sind hier die drei Halbleiterbaugruppen 1 des Halblei terbaugruppensystems 26 unmittelbar nebeneinander angeordnet, derart, dass durch ihre jeweiligen Kühlkörper 16 ein monoli thisch aufgebauter gemeinsamer Kühlkörper 25 ausgebildet wird. Der gemeinsame Kühlkörper 25 kann jedoch auch durch die einzelnen Kühlkörper 16 der Halbleiterbaugruppe 1 in Form von Teilkühlkörpern zusammengesetzt werden.

Anhand der FIG 6 wird ein Struktogramm mit einem Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Halbleiterbaugruppe 1 nach einer der FIGen 2 bis 4 visualisiert .

Das Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Halb leiterbaugruppe 1 umfasst dabei die folgenden Verfahrens schritte .

In einem ersten Schritt S1 erfolgt ein formschlüssiges oder kraftschlüssiges oder Stoffschlüssiges Anbringen eines ersten Abstandselements und, falls vorhanden, eines weiteren Ab standselements an ein Trägerelement und/oder ein Baugruppen element der Halbleiterbaugruppe.

Dabei ist es hilfreich, die Abstandelemente zu fixieren, was beispielsweise mittels eines Fixierklebers erfolgen kann. In einem zweiten Schritt S2 erfolgt ein Aufbringen eines ers ten Verbindungsmaterials auf eine erste Halbleiterseite eines Halbleiters und/oder auf eine erste Trägerelement-Leiterbahn eines Trägerelements der Halbleiterbaugruppe.

Das Verbindungsmaterial kann z.B. ein Lot wie Lötzinn sein, welches als Lotdepot an der ersten Halbleiterseite des Halb leiters und/oder auf die erste Trägerelement-Leiterbahn des Trägerelements der Halbleiterbaugruppe angelegt wird.

In einem dritten Schritt S3 erfolgt ein Aufbringen eines vierten Verbindungsmaterials auf eine erste Isolationsele ment-Leiterbahn eines elektrischen isolierenden Elements und/oder auf eine zweite Trägerelement-Leiterbahn des Trä gerelements der Halbleiterbaugruppe.

In einen vierten Schritt S4 erfolgt ein Aufbringen eines fünften Verbindungsmaterials auf eine zweite Isolationsele ment-Leiterbahn des elektrisch isolierenden Elements und/oder auf eine dritte Trägerelement-Leiterbahn des Trägerelements, falls eine weitere elektrische und mechanische Verbindung zwischen der zweiten Isolationselement-Leiterbahn und der dritten Trägerelement-Leiterbahn der Halbleiterbaugruppe vor gesehen ist.

Für den dritten Schritt S3 wie auch für den vierten Schritt S4 kann das Verbindungsmaterial ebenso z.B. ein Lot wie Löt zinn sein, welches als Lotdepot an den entsprechenden Leiter bahnen des Trägerelements und/oder den entsprechenden Leiter bahnen des elektrisch isolierenden Elements angelegt wird.

In einem fünften Schritt S5 erfolgt ein Anbringen des Trä gerelements und des Baugruppenelements an das erste Abstand selement und, falls vorhanden, an das weitere Abstandsele ment . Das Baugruppenelement kann dazu als elektrisch isolierendes Element, als Wärmeleitelement aber auch als Kühlkörper ausge bildet sein. In einem sechsten Schritt S6 erfolgt eine thermische Behand lung des ersten Verbindungsmaterials, des vierten Verbin dungsmaterials und, falls vorgesehen, des fünften Verbin dungsmaterials zur Herstellung Stoffschlüssiger elektrischer und mechanischer Verbindungen an den Trägerelement- Leiterbahnen, den Isolationselement-Leiterbahnen und dem Halbleiter .

Die thermische Behandlung kann vorzugsweise durch einen Löt prozess erfolgen, denkbar ist aber auch die thermische Be- handlung mittels eines Sinterprozesses.