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Title:
METHOD AND COOLING BODY ARRANGEMENT FOR COOLING SEMIDCONDUCTOR CHIPS HAVING INTEGRATED ELECTRONIC CIRCUITS FOR POWER ELECTRONIC APPLICATIONS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/013401
Kind Code:
A1
Abstract:
In order to achieve cost-effective and efficient cooling of semiconductor chips having integrated electronic circuits for power electronic applications, according to the invention [i] at least one semiconductor chip (HLC) is connected, for structure and connection, for example by soldering with standard solder or adhering with electrically conductive adhesives, at least on one side of the chip bottom side (CUS) and the chip top side (COS) at least to a circuit carrier (ST) coated on one or both sides by a metal layer (MS), preferably made of copper, wherein the cooling is determined substantially at connection points between the semiconductor chip (HLC) and the circuit carrier (ST) by the thermal conductivity of a connection material (VBS) used in connection technology, [ii] attaching for connection a plurality of pillar-like cooling bodies (EWK) for surface enlargement of the connection points, achieving a maximum possible packing density at the given body geometry, at least on one side of the chip bottom side (CUS) and the chip top side (COS), [iii] using a plurality of cavities (KAV), which are adapted to the body geometry of the cooling bodies (EWK) so as to form interlocking closures and which correspond in number to the number of cooling bodies (EWK), in the metal layer (MS) of the circuit carrier (ST), which is connected for structure and connection to the semiconductor chip (HLC), and [iv] electrically conductively connecting, in integrally bonded or frictionally engaged fashion, the interlocking closures formed from the cooling bodies (EWK) and cavities (KAV).

Inventors:
STEGMEIER STEFAN (DE)
Application Number:
PCT/EP2020/063654
Publication Date:
January 28, 2021
Filing Date:
May 15, 2020
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
International Classes:
H01L21/48; H01L23/367; H01L23/42
Foreign References:
KR20180002957A2018-01-09
US20160345465A12016-11-24
JP2013165122A2013-08-22
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zur Entwarnung von Halbleiterchips mit inte grierten elektronischen Schaltungen für leistungselektroni sche Anwendungen, bei dem mindestens ein Halbleiterchip (HLC) wenigstens auf einer Seite von Chipunterseite (CUS) und Chip oberseite (COS) zumindest mit einem ein- oder beidseitig mit einer Metallschicht (MS), vorzugsweise aus Kupfer, beschich teten Schaltungsträger (ST) aufbau- und verbindungstechnisch, insbesondere z.B. durch Löten mit Standardloten oder Kleben mit elektrisch leitfähigen Klebstoffen, verbunden wird und dabei die Entwärmung im Wesentlichen an Verbindungsstellen zwischen dem Halbleiterchip (HLC) und dem Schaltungsträger (ST) durch die Wärmeleitfähigkeit eines bei der Verbindungs technik verwendeten Verbindungsstoffs (VBS) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass

a) eine Vielzahl von Entwärmungskörpern (EWK) zur Oberflä chenvergrößerung der Verbindungsstellen, bei gegebener Kör pergeometrie eine maximal mögliche Packungsdichte erreichend, stelenartig zumindest auf einer Seite von der Chipunterseite (CUS) und der Chipoberseite (COS) verbindungstechnisch ange bracht wird,

b) eine zu der Anzahl der Entwärmungskörper (EWK) korrespon dierende Vielzahl von an die Körpergeometrie der Entwärmungs körper (EWK) für Verbindungsformschlüsse adaptierte Kavitäten (KAV) in der Metallschicht (MS) des Schaltungsträgers (ST), die mit dem Halbleiterchip (HLC) aufbau- und verbindungstech- nisch verbunden wird, benutzt wird,

c) die aus den Entwärmungskörpern (EWK) und Kavitäten (KAV) gebildeten Verbindungsformschlüsse elektrisch leitfähig sowie stoff- oder kraftschlüssig verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

die Entwärmungskörper (EWK) auf der Chipunterseite (CUS) und der Chipoberseite (COS) durch thermisches Sprühen, wie z.B. Metall-, Schmelzbad-, Lichtbogen-, Plasma-, Kaltgas-, Draht flamm-, Pulverflamm- , Hochgeschwindigkeitsflamm-, Detona- tions- oder Laserspritzen, durch galvanische Methoden, durch Laserschweißen, Diffusionslöten, Kleben oder durch Silber- Sinter-Verbindungen angebracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass

Metalle - wie z.B. Kupfer <Cu>, Silber <Ag>, Gold <Au>, Eisen <Fe>, Zinn <Sn>, Nickel <Ni>, Aluminium <A1>, Molybdän <Mo> oder Wolfram <Wo> -, Legierungen mit mindestens einem dieser Metalle, Halbmetalle, Metall-Keramiken, hochdotierte Halblei ter - wie z.B. Silizium <Si>, Siliziumkarbid <SiC>, Galium- nitrid <GaN> etc. - oder graphitbasierte Materialien für die Entwärmungskörper (EWK) benutzt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass

Zylinder-, prismen-, pyramiden-, kegel-, quader-, würfel dreiecksäulenförmige Entwärmungskörper (EWK) benutzt werden, die in der Seitenansicht jeweils mit oder ohne Verjüngungen, Hinterschneidungen oder Verbindungen zueinander beschaffen sein können.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass

eine Stelengröße im Wesentlichen in der Größenordnung von 0,3 bis 1,0mm für die Entwärmungskörper (EWK) benutzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass

ein Dick-Kupfer-Substrat - wie z.B. Printed Circuit Board <PCB>, Direct Bonding Copper <DCB>, Active Metal Brazing <AMB>, Leadframes, ein laminiertes Dick-Kupfer-Substrat oder ein durch Formen (engl. Molding oder Drucklamination) herge stelltes Dick-Kupfer-Polymer-Substrat als den Schaltungsträ- ger (ST) benutzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekenn zeichnet, dass eine Dicke im Wesentlichen in der Größenordnung von 0,3 bis 5,0mm für die Metallschicht (MS) benutzt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass

die elektrisch leitfähige sowie stoff- oder kraftschlüssige Verbindung durch Löten mit Standardloten (SL) als den Verbin dungsstoff (VBS) oder Kleben mit elektrisch leitfähigen Kleb stoffen (KS) als den Verbindungsstoff (VBS) erzeugt wird.

9. Entwärmungskörper-Anordnung (EWKA) zur Entwärmung von Halbleiterchips mit integrierten elektronischen Schaltungen für leistungselektronische Anwendungen, mit mindestens einem Halbleiterchip (HLC) und mindestens einem ein- oder beidsei tig mit einer Metallschicht (MS), vorzugsweise aus Kupfer, beschichteten Schaltungsträger (ST) , wobei der Halbleiterchip (HLC) wenigstens auf einer Seite von Chipunterseite (CUS) und Chipoberseite (COS) mit dem Schaltungsträger (ST) aufbau- und verbindungstechnisch, insbesondere z.B. durch Löten mit Stan dardloten oder Kleben mit elektrisch leitfähigen Klebstoffen, verbunden ist und dabei die Entwärmung im Wesentlichen an Verbindungsstellen zwischen dem Halbleiterchip (HLC) und dem Schaltungsträger (ST) durch die Wärmeleitfähigkeit eines bei der Verbindungstechnik verwendeten Verbindungsstoffs (VBS) gegeben ist,

gekennzeichnet durch

a) eine Vielzahl von Entwärmungskörpern (EWK) , die zur Ober flächenvergrößerung der Verbindungsstellen, bei gegebener Körpergeometrie eine maximal mögliche Packungsdichte errei chend, stelenartig zumindest auf einer Seite von der Chipun terseite (CUS) und der Chipoberseite (COS) verbindungstech- nisch angebracht ist,

b) eine zu der Anzahl der Entwärmungskörper (EWK) korrespon dierende Vielzahl von an die Körpergeometrie der Entwärmungs körper (EWK) für Verbindungsformschlüsse adaptierte Kavitäten (KAV) , die in der Metallschicht (MS) des Schaltungsträgers (ST) , die mit dem Halbleiterchip (HLC) aufbau- und verbin dungstechnisch verbunden wird, enthalten ist, c) elektrische Leitfähigkeit sowie Stoff- oder Kraftschluss der aus den Entwärmungskörpern (EWK) und Kavitäten (KAV) ge bildeten Verbindungsformschlüsse .

10. Entwärmungskörper-Anordnung (EWKA) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass

die Entwärmungskörper (EWK) auf der Chipunterseite (CUS) und der Chipoberseite (COS) durch thermisches Sprühen, wie z.B. Metall-, Schmelzbad-, Lichtbogen-, Plasma-, Kaltgas-, Draht flamm-, Pulverflamm- , Hochgeschwindigkeitsflamm-, Detona- tions- oder Laserspritzen, durch galvanische Methoden, durch Laserschweißen, Diffusionslöten, Kleben oder durch Silber- Sinter-Verbindungen angebracht sind.

11. Entwärmungskörper-Anordnung (EWKA) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass

die Entwärmungskörper (EWK) Metalle - wie z.B. Kupfer <Cu>, Silber <Ag>, Gold <Au>, Eisen <Fe>, Zinn <Sn>, Nickel <Ni>, Aluminium <A1>, Molybdän <Mo> oder Wolfram <Wo> -, Legierun gen mit mindestens einem dieser Metalle, Halbmetalle, Metall- Keramiken, hochdotierte Halbleiter - wie z.B. Silizium <Si>, Siliziumkarbid <SiC>, Galiumnitrid <GaN> etc. - oder graphit basierte Materialien sind.

12. Entwärmungskörper-Anordnung (EWKA) nach einem der Ansprü che 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass

die Entwärmungskörper (EWK) Zylinder-, prismen-, pyramiden-, kegel-, quader-, Würfel- dreiecksäulenförmig sind, die in der Seitenansicht jeweils mit oder ohne Verjüngungen, Hinter schneidungen oder Verbindungen zueinander ausbildbar sind.

13. Entwärmungskörper-Anordnung (EWKA) nach einem der Ansprü che 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass

die Entwärmungskörper (EWK) jeweils eine Stelengröße im We sentlichen in der Größenordnung von 0,3 bis 1,0mm aufweisen.

14. Entwärmungskörper-Anordnung (EWKA) nach einem der Ansprü che 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (ST) ein Dick-Kupfer-Substrat - wie z.B. Printed Circuit Board <PCB>, Direct Bonding Copper <DCB>, Ac tive Metal Brazing <AMB>, Leadframes, ein laminiertes Dick- Kupfer-Substrat oder ein durch Formen (engl. Molding oder Drucklamination) hergestelltes Dick-Kupfer-Polymer-Substrat ist .

15. Entwärmungskörper-Anordnung (EWKA) nach Anspruch 9 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass

die Metallschicht (MS) eine Dicke im Wesentlichen in der Grö ßenordnung von 0,3 bis 5,0mm aufweist.

16. Entwärmungskörper-Anordnung (EWKA) nach einem der Ansprü che 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass

die elektrisch leitfähige sowie stoff- oder kraftschlüssige

Verbindung durch Löten mit Standardloten (SL) als den Verbin dungsstoff (VBS) oder Kleben mit elektrisch leitfähigen Kleb stoffen (KS) als den Verbindungsstoff (VBS) erzeugbar ist.

Description:
Beschreibung

Verfahren und Entwärmungskörper-Anordnung zur Entwärmung von Halbleiterchips mit integrierten elektronischen Schaltungen für leistungselektronische Anwendungen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Entwärmung von Halbleiterchips mit integrierten elektronischen Schaltun gen für leistungselektronische Anwendungen gemäß dem Oberbe griff des Patentanspruches 1 und eine Entwärmungskörper- Anordnung zur Entwärmung von Halbleiterchips mit integrierten elektronischen Schaltungen für leistungselektronische Anwen dungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 9.

Für leistungselektronische Anwendungen müssen heutige Halb leiterchips, wie z.B. " Insulated-Gate Bipolar-Transistors <IGBTs>", Dioden, "Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors <MOSFETs>", Junction Field-Effect Transistors <JFETs>", etc., effizient entwärmt werden, um einerseits eine möglichst hohe Langlebigkeit zu erreichen und andererseits hohe Ströme schalten zu können. Hierzu werden die Halbleiter chips entweder einseitig oder doppelseitig mit einem Träger, z.B. als "Printed Circuit Board <PCB>", "Direct Bonded Copper <DBC>", "Active Metal Braze <AMB>", Cu-Leadframe etc., ver bunden .

Die Verbindungsstelle besteht dabei üblicherweise aus Lot, wie z.B. Sn-basierte-Lote, Sinterverbindungen, wie z.B. Ag- basierte Sinterverbindungen, oder Diffusionslote, wie z.B. CuSn-basierte Diffusionslote. Deren Wärmeleitfähigkeit ist dabei maßgeblich für die Entwärmung der Halbleiterchips ver antwortlich. So besitzen Standardlote, wie z.B. SAC-basierte Lote aus Sn, Ag und Cu, lediglich ca. 5-10% der Wärmeleitfä higkeit bei einer Ag-basierten Sinterverbindung. Aus diesem Grund werden solche Ag-basierten Sinterverbindungen für eine effiziente Entwärmung von kleinen Chips oder Hochleistung schips verwendet. Diese Art der Verbindung ist jedoch mit ei nem hohen Aufwand und mit hohen Kosten verbunden. Deshalb wä- re es wünschenswert, auch mit Standardloten oder mit elektri schen leitfähigen Klebern, die z.B. auf Polymerbasis beste hen, eine effiziente Entwärmung zu erreichen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren und eine Entwärmungskörper-Anordnung zur Entwärmung von Halbleiterchips mit integrierten elektronischen Schaltun gen für leistungselektronische Anwendungen anzugeben, mit dem bzw. der eine wirtschaftliche und effiziente "Halbleierchip"- Entwärmung erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem im Oberbegriff des Pa tentanspruchs 1 definierten dem Entwärmungsverfahren durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkma le gelöst.

Darüber hinaus wird die Aufgabe ausgehend von der im Oberbe griff des Patentanspruchs 9 definierten Entwärmungskörper- Anordnung durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 9 an gegebenen Merkmale gelöst.

Die der Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1 und 9 zugrundeliegenden Idee besteht darin,

1) mindestens ein Halbleiterchip wenigstens auf einer Seite von Chipunterseite und Chipoberseite zumindest mit einem ein- oder beidseitig mit einer Metallschicht, vorzugsweise aus Kupfer, beschichteten Schaltungsträger aufbau- und verbin dungstechnisch, z.B. durch Löten mit Standardloten oder Kle ben mit elektrisch leitfähigen Klebstoffen, zu verbinden, wo bei die Entwärmung im Wesentlichen an Verbindungsstellen zwi schen dem Halbleiterchip und dem Schaltungsträger durch die Wärmeleitfähigkeit eines bei der Verbindungstechnik verwende ten Verbindungsstoffs bestimmt wird,

2 ) eine Vielzahl von Entwärmungskörpern zur Oberflächenver größerung der Verbindungsstellen, bei gegebener Körpergeomet rie eine maximal möglicher Packungsdichte erreichend, stelen artig zumindest auf einer Seite von der Chipunterseite und der Chipoberseite verbindungstechnisch anzubringen, 3 ) eine zu der Anzahl der Entwärmungskörper korrespondierende Vielzahl von an die Körpergeometrie der Entwärmungskörper für Verbindungsformschlüsse adaptierte Kavitäten in der Metall schicht des Schaltungsträgers , die mit dem Halbleiterchip aufbau- und verbindungstechnisch verbunden wird, zu benutzen sowie

4 ) die aus den Entwärmungskörpern und Kavitäten gebildeten Verbindungsformschlüsse elektrisch leitfähig sowie stoff- o- der kraftschlüssig zu verbinden.

In Bezug auf das Anbringen der Entwärmungskörper ist es gemäß den Ansprüchen 2 und 10 vorteilhaft, wenn die Entwärmungskör per auf der Chipunterseite und der Chipoberseite durch ther misches Sprühen, wie z.B. Metall-, Schmelzbad-, Lichtbogen-, Plasma-, Kaltgas-, Drahtflamm-, Pulverflamm- , Hochgeschwin- digkeitsflamm-, Detonations- oder Laserspritzen, durch galva nische Methoden, durch Laserschweißen, Diffusionslöten, Kle ben oder durch Silber-Sinter-Verbindungen angebracht werden.

Im Hinblick auf die Materialbeschaffenheit der Entwärmungs körper ist es gemäß den Ansprüchen 3 und 11 von Vorteil, wenn diese aus Metall - wie z.B. Kupfer <Cu>, Silber <Ag>, Gold <Au>, Eisen <Fe>, Zinn <Sn>, Nickel <Ni>, Aluminium <A1>, Mo lybdän <Mo> oder Wolfram <Wo> -, Legierungen mit mindestens einem dieser Metalle, Halbmetall, Metall-Keramiken, hochdo tierte Halbleiter - wie z.B. Silizium <Si>, Siliziumkarbid <SiC>, Galiumnitrid <GaN> etc. - oder graphitbasierten Mate rialien hergestellt sind. Die Entwärmungskörper können auch aus verschiedenen Materialkombinationen aufgebaut sein, wie z.B. Kupfer an einem Ende und Graphit am anderen Ende.

Hinsichtlich der Formgestaltung der Entwärmungskörper ist es gemäß den Ansprüchen 4 und 12 zweckmäßig, wenn die Entwär mungskörper Zylinder-, prismen-, pyramiden-, kegel-, quader-, Würfel- dreiecksäulenförmige ausgebildet sind. Jeder säulen förmige Entwärmungskörper ist dabei vorzugsweise derart ge staltet, dass die Entwärmungskörper in der Seitenansicht je- weils mit oder ohne Verjüngungen, Hinterschneidungen oder Verbindungen zueinander versehen sein können.

Weiterhin ist es für die Entwarnung gemäß den Ansprüchen 5 und 13 von Vorteil, wenn die Entwärmungskörper eine Stelen größe im Wesentlichen in der Größenordnung von 0,3 bis 1,0mm haben .

Für die Entwärmung ist es gemäß den Ansprüchen 6 und 14 vor teilhaft, wenn der Schaltungsträger ein Dick-Kupfer-Substrat - wie z.B. Printed Circuit Board <PCB>, Direct Bonding Copper <DCB>, Active Metal Brazing <AMB>, Leadframes, ein laminier tes Dick-Kupfer-Substrat oder ein durch Formen (engl. Molding oder Drucklamination) hergestelltes Dick-Kupfer-Polymer- Substrat ist.

Dabei ist dann gemäß den Ansprüchen 7 und 15 zweckmäßig, wenn die Metallschicht eine Dicke im Wesentlichen in der Größen ordnung von 0,3 bis 5,0mm aufweist.

Im Sinne einer wirtschaftlichen und effizienten Entwärmung ist es zudem gemäß den Ansprüchen 8 und 16 von besonderem Vorteil, dass die elektrisch leitfähige sowie stoff- oder kraftschlüssige Verbindung durch Löten mit Standardloten oder Kleben mit elektrisch leitfähigen Klebstoffen erzeugt werden kann .

Fazit: Somit ist es insgesamt trotz des Einsatzes von

schlechten wärmeleitfähigen Loten oder Leitklebern aus Grün den der Wirtschaftlichkeit möglich, eine effiziente Halb- leiterchip-Entwärmung zu erreichen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfol genden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der FIGUREN 1A, 1B, 2A bis 2C und 3 erläutert. Es zei gen : FIGUR 1A in Draufsicht eine Gruppierung von Entwärmungskör- pern auf einen Halbleiterchip mit integrierten elektronischen Schaltungen für leistungselektronische Anwendungen zu dessen Entwarnung,

FIGUR 1B in Seitenansicht die Halbleiterchip-Entwärmungskör- per-Baugruppe gemäß der FIGUR 1A,

FIGUR 2A eine Entwärmungskörper-Anordnung mit zwei Schal tungsträgern zur doppelseitiger Entwärmung eines Halbleiter chips im unverbundenen Schaltungsträger-Halbleiterchip- Zustand,

FIGUR 2B die Entwärmungskörper-Anordnung gemäß der FIGUR 2A mit den zwei Schaltungsträgern zur doppelseitiger Entwärmung des Halbleiterchips im zur Verbindung durch Löten oder Kleben vorbereitenden Schaltungsträger-Halbleiterchip-Zustand,

FIGUR 2C die Entwärmungskörper-Anordnung gemäß den FIGUREN 2A und 2B mit den zwei Schaltungsträgern zur doppelseitiger Ent wärmung des Halbleiterchips im zur durch Löten oder Kleben verbundenen Schaltungsträger-Halbleiterchip-Zustand,

FIGUR 3 eine Entwärmungskörper-Anordnung mit zwei Schaltungs trägern zur doppelseitiger Entwärmung von zwei Halbleiter chips bei paralleler vorbereitender Chipansteuerung im Schal tungsträger-Halbleiterchip-Verbund .

FIGUR 1A zeigt in Draufsicht eine Gruppierung von Entwär- mungskörpern EWK auf einen Halbleiterchip HLC mit integrier ten elektronischen Schaltungen für leistungselektronische An wendungen zu dessen Entwärmung.

Eine effiziente Entwärmung des Halbleiterchip HLC kann dadurch erreicht werden, dass, wie in der FIGUR 1A darge stellt, die Entwärmungskörper EWK einseitig oder sogar, zur weiteren Verbesserung der Erwärmung, doppelseitig auf den Halbleiterchip HLC aufgebracht werden. Die Entwärmungskörper EWK sind wie dargestellt zylindersäulenförmig in der Art von Stelen auf dem Halbleiterchip HLC angeordnet. Alternativ zu der Zylindersäulenform sind auch andere Formen denkbar. So z.B. prismen-, pyramiden-, kegel-, quader-, Würfel- dreieck säulenförmig Stelen, die analog zu der Darstellung in der FIGUR 1A in gleicher Weise auf dem Halbleiterchip HLC ange ordnet sein können. Dies bedeutet dann jedoch, wie später bei der Beschreibung der FIGUREN 2A bis 2C deutlich wird, dass Schaltungsträger-Kavitäten für Verbindungsformschlüsse ent sprechend ausgebildet sein müssen.

Die zylindersäulenförmigen als Stelen auf dem Halbleiterchip HLC aufgebrachten Entwärmungskörper EWK bilden eine Pillar- Struktur, bei der die stelenartigen Entwärmungskörper EWK durch verschiedenste Aufbringungsmethoden auf dem Halbeiter chip HLC fixiert werden.

Hierzu eignen sich vor allem thermische Metallsprüh-Methoden, galvanische Methoden, Laserschweißen, Diffusionslöten, Kleben sowie Silber-Sinter-Verbindungen . Die thermische Sprühmethode ist hierbei als übergeordneter Begriff anzusehen. Unterkate gorien sind hierbei z.B. Zerstäuben aus einer Schmelze

(Schmelzbadspritzen) , elektrische Lichtbogen- oder Gasentla dung (z.B. Lichtbogenspritzen oder Plasmaspritzen), Gasexpan sion ohne Verbrennung (z.B. Kaltgasspritzen), Verbrennung (z.B. Drahtflammspritzen, Pulverflammspritzen, Hochgeschwin- digkeitsflammspritzen, Detonationsspritzen) oder gebündelter energetischer Strahl (z.B. Laserspritzen).

Durch die so aufgebrachte und verwendete Pillar-Struktur wird die Oberfläche des Halbleiterchips HLC erheblich vergrößert. So kann bei einem Chipmaß von 10 mm x 10 mm, einem Pillar- Durchmesser von 0,5 mm, einer Pillar-Länge von 2 mm und einer Pillar-Anzahl von 290 die Oberfläche bereits verzehnfacht werden. Dies führt dazu, dass mittels verwendeter Lotschich ten vergleichbare Gesamt-Wärmeleitfähigkeiten wie bei Silber- Sinterschichten erreicht werden können. Vorausgesetzt die Pillar-Struktur bestehen aus einem gut Wärmeleitfähigen Mate rial, wie z.B. Kupfer <Cu>.

Die Pillar-Struktur bzw. die Entwärmungskörper EWK sollten dabei mit einer möglichst hohen Wärmeleitfähigkeit an den Halbleiterchip angebunden werden und auch selbst eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Als Material kommen dabei neben Kupfer <Cu> die Metalle, wie z.B. Silber <Ag>, Gold <Au>, Ei sen <Fe>, Zinn <Sn>, Nickel <Ni>, Aluminium <A1>, Molybdän <Mo> oder Wolfram <Wo> -, Legierungen mit mindestens einem dieser Metalle, Halbmetalle, Metall-Keramiken, hochdotierte Halbleiter - wie z.B. Silizium <Si>, Siliziumkarbid <SiC>, Galiumnitrid <GaN> etc. - oder graphitbasierte Materialien in Frage .

Darüber hinaus kann die Pillar-Struktur bzw. können die Ent wärmungskörper EWK auch aus verschiedenen Materialkombinatio nen aufgebaut sein, wie z.B. Kupfer an einem Ende des Pillars bzw. Körpers und Graphit am anderen Ende.

FIGUR 1B zeigt in Seitenansicht die Halbleiterchip-Entwär- mungskörper-Baugruppe gemäß der FIGUR 1A. 13. Die Entwär mungskörper EWK weisen gemäß dieser Darstellung vorzugsweise jeweils eine Stelengröße im Wesentlichen in der Größenordnung von 0,3 bis 1,0mm auf. Wie bereits bei der Beschreibung der FIGUR 1A angedeutet könnte die Stelengröße zur Vergrößerung der Oberfläche des Halbleiterchips HLC auch durchaus 2mm be tragen, was bei der gegebenen Chipoberfläche und der Anzahl der Entwärmunsgkörper auf dieser Oberfläche eine Verzehnfa- chung der ursprünglichen Chipoberfläche ohne die Entwärmungs körper EWK bedeuten würde.

Die Seitenansicht zeigt darüber hinaus, dass die stelenarti gen Entwärmungskörper EWK keine Verjüngungen, Hinterschnei dungen oder Verbindungen zueinander haben. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass dieses der Fall ist. Dies bedeutet dann auch hier wieder, wie später bei der Beschreibung der FIGUREN 2A bis 2C deutlich wird, dass Schaltungsträger- Kavitäten für Verbindungsformschlüsse entsprechend ausgebil det sein müssen.

FIGUR 2A eine Entwärmungskörper-Anordnung EWKA mit zwei

Schaltungsträgern ST zur doppelseitiger Entwärmung eines Halbleiterchips HLC im unverbundenen Schaltungsträger- Halbleiterchip-Zustand . Jeder der zwei Schaltungsträger ST weist eine vorzugsweise aus Kupfer aufgebaute Metallschicht MS auf, die sich entweder einseitig, wie in der FIGUR 2A dar gestellt, oder aber auch beidseitig - z.B. dann, wenn ein mehrlagiges Systeme mit mehrere übereinander gestapelte Halb leiterchips und Schaltungsträger zu realisieren ist, - auf dem Schaltungsträger ST befindet. In der FIGUR 2A und auch nachfolgend in Bezug auf FIGUR 2B und FIGUR 2C ist von dem Schaltungsträger nur die Metallschicht MS dargestellt. So kann der Schaltungsträger ST z.B. als Trägermaterial für die Metallschicht MS eine nicht dargestellte Substratschicht auf weisen, wobei aber auch andere Trägermaterialien in Frage kommen können.

Der Schaltungsträger ST ist vorzugsweise ein Dick-Kupfer- Substrat - wie z.B. Printed Circuit Board <PCB>, Direct Bon ding Copper <DCB>, Active Metal Brazing <AMB>, Leadframes, ein laminiertes Dick-Kupfer-Substrat oder ein durch Formen (engl. Molding oder Drucklamination) hergestelltes Dick- Kupfer-Polymer-Substrat .

Die Metallschicht MS vorzugsweise eine Dicke im Wesentlichen in der Größenordnung von 0,3 bis 5,0mm aufweist.

Der Halbleiterchip HLC soll nun gemäß der FIGUR 2A wenigstens auf einer Seite von Chipunterseite CUS und Chipoberseite COS mit dem Schaltungsträger ST aufbau- und verbindungstechnisch, z.B. durch Löten mit Standardloten oder Kleben mit elektrisch leitfähigen Klebstoffen, verbunden werden. In der FIGUR 2A und auch nachfolgend in Bezug auf FIGUR 2B und FIGUR 2C er folgt die Verbindung zwischen dem Halbleiterchip HLC und dem Schaltungsträger ST bzw. präziser ausgedrückt zwischen dem Halbleiterchip HLC und der Metallschicht MS des Schaltungs trägers ST zur doppelseitiger Entwarnung sowohl auf der Chi punterseite CUS als auch auf der Chipoberseite COS. Aber die Verbindung kann auch nur einseitig erfolgen.

Die Entwarnung des Halbleiterchips HLC wird dabei im Wesent lichen an Verbindungsstellen zwischen dem Halbleiterchip HLC und dem Schaltungsträger ST durch die Wärmeleitfähigkeit ei nes bei der Verbindungstechnik verwendeten Verbindungsstoffs VBS bestimmt. Wie die Verbindung hergestellt wird nachfolgend mehr im Zusammenhang mit der Beschreibung von FIGUR 2B.

Für die Entwärmung des Halbleiterchips HLC ist jetzt eine Vielzahl von Entwärmungskörpern EWK zur Oberflächenvergröße rung der Verbindungsstellen, bei gegebener Körpergeometrie eine maximal möglicher Packungsdichte erreichend stelenartig sowohl auf der Chipunterseite CUS als auch auf der Chipober seite COS verbindungstechnisch angebracht. Die Entwärmungs- körper EWK können aber alternativ nur auf einer der beiden Seiten, entweder auf der Chipunterseite CUS oder auf der Chi poberseite COS angebracht sein. Die beidseitige Anbringung sorgt logischerweise für eine bessere Entwärmung und ermög- lichr darüber hinaus noch den Aufbau eines mehrlagigen Sys tems mit mehrere übereinander gestapelte Halbleiterchips und Schaltungsträgem .

Die Anzahl kann dabei so groß sein - wie in der FIGUR 1A dar gestellt, dass die Chipoberfläche im Wesentlichen vollständig mit Entwärmungskörpern EWK belegt ist. Sprich, die Packungs dichte also maximal ist. Sie, die Anzahl als auch die Pa ckungsdichte, kann aber auch kleiner sein.

Die Körpergeometrie der Entwärmungskörper EWK ist wie in den FIGUREN 1A und 1B zylindersäulenförmig. Auch dies ist wie be reits ausgeführt kein MUSS. Das verbindungstechnische Anbringen der Entwärmungskörper EWK erfolgt vorzugsweise wie bereits vorstehend im Zusammenhang mit der FIGUR 1A beschrieben.

Die FIGUR 2A wie auch nachfolgend FIGUR 2B und FIGUR 2C zei gen jeweils in einer Seitenansicht ohne einheitlichen Bezug zu den FIGUREN 1A und 1B, was die Entwärmungskörpersanzahl anbetrifft, den prinzipiellen Aufbau der Entwärmungskörper- Anordnung EWKA.

Korrespondierend zu der Anzahl der Entwärmungskörper EWK ist in der Metallschicht MS des jeweiligen Schaltungsträgers ST, die mit dem Halbleiterchip HLC aufbau- und verbindungstech- nisch verbunden werden soll (FIGUR 2A und FIGUR 2B) bzw. ist (FIGUR 2C) , eine Vielzahl von an die Körpergeometrie der Ent wärmungskörper EWK für Verbindungsformschlüsse adaptierte Ka vitäten KAV enthalten.

FIGUR 2B zeigt die Entwärmungskörper-Anordnung gemäß der FIGUR 2A mit den zwei Schaltungsträgern ST zur doppelseitiger Entwärmung des Halbleiterchips HLC im zur Verbindung durch Löten oder Kleben vorbereitenden Schaltungsträger- Halbleiterchip-Zustand .

Zur Herstellung dieses Zustands (Übergang von der FIGUR 2A zu der FIGUR 2B) werden die aus den Entwärmungskörpern EWK und Kavitäten KAV gebildeten Verbindungsformschlüsse elektrisch leitfähig sowie stoff- oder kraftschlüssig verbunden werden. An Verbindungsstellen zwischen dem Halbleiterchip HLC und dem Schaltungsträger ST bzw. der Metallschicht MS des Schaltungs trägers ST wird die Entwärmung im Wesentlichen durch die Wär meleitfähigkeit eines bei der Verbindungstechnik verwendeten Verbindungsstoffs VBS bestimmt. Als Verbindungsstoff VBS für die elektrisch leitfähige sowie stoff- oder kraftschlüssige Verbindung kommen vorzugsweise entweder Standardlote SL, die an den Verbindungsstellen verlötet werden, oder elektrisch leitfähige Klebstoffe KS, die an den Verbindungsstellen ver klebt werden, zum Einsatz. Der Verbindungsstoff VBS wird dabei vorzugsweise entweder auf den die Pillar-Struktur bildenden Entwärmungskörpern EWK oder in die Kavitäten KAV der Metallschicht MS des jeweiligen Schaltungsträgers ST aufgetragen.

FIGUR 2C zeigt die Entwärmungskörper-Anordnung EWKA gemäß den FIGUREN 2A und 2B mit den zwei Schaltungsträgern ST zur dop pelseitiger Entwärmung des Halbleiterchips HLC im zur durch Löten oder Kleben verbundenen Schaltungsträger- Halbleiterchip-Zustand .

Dieser Zustand entsteht, dadurch, dass der Halbeleiterchip HLC mit den darauf befindlichen Entwärmungskörpern EWK zZu- sammengefügt werden, wobei dabei die Entwärmungskörper EWK in die Kavitäten eintauchen und wie dargestellt sowohl

elektrisch leitfähig als auch stoff- oder kraftschlüssig ver bunden werden.

Die, wie vorstehend beschrieben, vorgenommene Entwärmung von Halbleiterchips mit integrierten elektronischen Schaltungen für leistungselektronische Anwendungen zeichnet in vorteil hafter Weise, dass

- mittels einfacher und günstiger Aufbau- und Verbindungs techniken, wie z.B. Löten, Kleben, etc., hohe Entwärmungen erreicht werden können, die mit herkömmlichen mit Silber- Sinter-Verbindungen vergleichbar sind,

- herkömmliche Schaltungsträger, die aus Dick-Kupfer- Substraten mit Kupfer-Schichtdicken-Dicken zwischen 0,3 mm und 5 mm hergestellt sind, verwendet werden können,

- die Ausdehnungsproblematik zwischen Halbleiterchips (2,5— 5E-06 m/ (m*K) ) und Kupfer (16,5E-06 m/ (m*K) ) durch die Ver wendung von kleinen Pillar-Strukturen erheblich reduziert ist,

- auch mehrlagige Systeme aufgebaut werden können, d.h. meh rere übereinander gestapelte Halbleiterchips und Schaltungs träger, - eine einfachere Bestückung von Halbleiterchips möglich ist, indem die Pillar-Sstruktur in das Gegenstück des Substrates automatisch zentriert werden kann,

- beim Härtungsprozess (curing process) kein Verschwimmen des Halbleiterchips mehr möglich ist aufgrund der Pillar-

Struktur .

FIGUR 3 zeigt eine Entwärmungskörper-Anordnung EWKA mit zwei Schaltungsträgern ST zur doppelseitiger Entwärmung von zwei Halbleiterchips HLC bei paralleler vorbereitender Chipansteu- erung im Schaltungsträger-Halbleiterchip-Verbund .

Hierbei werden die Halbleiterchips zwecks der Handhabung be reits vorher mit einem Polymer PLY verbunden, so dass diese als Chip-Substrat-Verbund einfach weiterverarbeitet werden können. Als Technik hierfür hat sich z.B. EWLB-Methode (Em- bedded Wafer Level Ball-grid-array) etabliert. Auch der

Schaltungsträger ST ist bereits vorher hergestellt, so z.B. als Dick-Cu-Mold-Substrat, so dass mittels isolierter Berei- che - in der FIGUR 3 schraffiert gezeichnet und als Polymer- Isolation bezeichnet - die elektrischen Chipansteuerungslei- tungen etc. leicht gelegt werden können.