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DE19710659A1 - Lagesicherung elektrisch miteinander gekoppelter Materialien durch Beschichtung - Beschichtung von Schalteinheiten (Leistungshalbleitern) - Google Patents

Lagesicherung elektrisch miteinander gekoppelter Materialien durch Beschichtung - Beschichtung von Schalteinheiten (Leistungshalbleitern)

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DE19710659A1
DE19710659A1 DE19710659A DE19710659A DE19710659A1 DE 19710659 A1 DE19710659 A1 DE 19710659A1 DE 19710659 A DE19710659 A DE 19710659A DE 19710659 A DE19710659 A DE 19710659A DE 19710659 A1 DE19710659 A1 DE 19710659A1
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DE
Germany
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coating
materials
electrically coupled
contact points
securing position
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DE19710659A
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ISFAHANI SAEED DIPL ING
PEISKER TORSTEN DIPL ING
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ISFAHANI SAEED DIPL ING
PEISKER TORSTEN DIPL ING
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Publication date
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Description

Die Erfindung betrifft das Aufbringen von Schichten auf elektrische Schaltkreise, Chips und ähnliche vornehmlich elektronische Bauelemente zur lagesichernden Einbettung einzelner funktionstragender Komponenten zueinander. Ein grundlegendes Ziel dieser Beschichtungen besteht in der wesentlichen Erhöhung der Lebensdauer elektrischer und elektronischer Bauelemente durch Verhinderung des Ablösens einzelner Anschluß- und Verbindungsstellen, die für die Übertragung elektrischer Energie verantwortlich sind. Weiterhin besteht durch das Aufbringen spezieller Einbettungsmaterialien insbesondere auf Anschlußleitungen (Bonddrähte) die Möglichkeit der Versiegelung und damit Sicherung gegen Nachempfinden der Anschlußbelegung von Schalteinheiten.
Stand der Technik
Bei der Herstellung von elektronischen Leistungsschaltern (MOSFET- oder IGBT-Transistormodule oder Diodenmodule) erfolgt die elektrische Kontaktierung der Leistungshalbleiter meist durch Löten des Si-Bausteins auf ein Substrat sowie auf der Oberseite durch Bonden mit Al-Draht. Die flächige Lötverbindung ermöglicht eine gute Wärmeabfuhr in das Substrat, welcher bei einer Verlustleistungsdichte der Halbleiterbausteine von bis zu 100 W/cm² entsprechende Bedeutung beigemessen werden muß. Die als Drahtwerkstoff verwendeten Al-Legierungen weisen in der Regel nur einen geringen Gehalt an zusätzlichen Elementen auf, um die geforderte hohe elektrische Leitfähigkeit und das für den Bondprozeß hinreichend gute Verformungsvermögen des reinen Aluminiums zu erhalten.
Obwohl diese Technologie in der Fertigung weitestgehend etabliert ist, birgt sie insbesondere im Hinblick auf Langzeitanwendungen die Gefahr von Ermüdungsbrüchen aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien. So ist aus verschiedenen Untersuchungen bekannt, daß es nach ca. 10⁴ bis 10⁶ elektrischen Belastungszyklen zu einem Abheben der ursprünglich fehlerfreien Drahtbondverbindungen kommt. Die elektrischen Schaltvorgänge führen aufgrund der Verlustleistung des Haltleiterbausteins zu zyklischer Erwärmung. Die Temperaturschwankungen selbst sorgen mit den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe Aluminium-Draht und Silizium-Halbleiter für eine mechanische Ermüdungsbelastung, welche in gleicher Weise auch durch passive Temperaturwechsel hervorgerufen werden kann.
Die Materialkombination Al-Draht auf Si-Halbleiter läßt nur wenig Spielraum für Eigenschaftsvariationen, daher kann der Versagensmechanismus durch Materialmodifikation nicht wesentlich beeinflußt werden.
Während das Abheben der Bonddrähte als primäre Ausfallursache angesehen werden muß, sind zusätzliche Alterungsmechanismen aktiv, die mit hoher Wahrscheinlichkeit zur Beschleunigung des Ausfalls führen: hierzu zählen die "Rekonstruktion" der Al-Metallisierung auf dem Halbleiter (d. h. eine durch die Ermüdungsbelastung zerrüttete Al-Oberfläche auf dem Si-Baustein) sowie die Bildung eines Ermüdungsriß-Netzwerks im Lot zwischen Halbleiter und Substrat.
Darstellung der erfindungsgemäßen Lösung
Die Lebensdauer von Verbindungsstellen verschiedener oder gleichartiger Materialien, z. B. in Leistungshalbleitern kann durch das Aufbringen von zusätzlichen Beschichtungsmaterialien (z. B. Al₂O₃) durch geeignete Beschichtungsverfahren (z. B. thermisches Spritzen) auf ein Vielfaches gesteigert werden. Dieser Effekt basiert im wesentlichen auf dem Modell eines Druckkontaktes, wobei die Lagesicherung der beteiligten Materialpartner zueinander trotz bestehender Rißbildung hinreichend durch die Beschichtungsmatrix gewährleistet wird. Bei Ablösung der Beschichtungsmatrix ist ein Nachvollziehen der Schaltbelegung bzw. der usprünglichen Kontaktierung nicht mehr möglich. Die Beschichtung kann punktuell (Fig. 1), partiell flächig (Fig. 2) oder großflächig (Fig. 3) erfolgen.

Claims (2)

1. Aufbringen eines oder mehrerer Matrixwerkstoffe wie z. B. Spritzzusatzwerkstoffe zur Lagesicherung miteinander kontaktierender Materialien durch geeignete Beschichtungsverfahren, wie z. B. thermisches Spritzen.
2. Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es durch geeignete Beschichtungsmaterialwahl nicht möglich ist, Kontaktstellen nach Abtrennen des Matrixwerkstoffs bezüglich ihrer Schaltbelegung nachzuempfinden.
DE19710659A 1997-03-14 1997-03-14 Lagesicherung elektrisch miteinander gekoppelter Materialien durch Beschichtung - Beschichtung von Schalteinheiten (Leistungshalbleitern) Withdrawn DE19710659A1 (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10355043A1 (de) * 2003-11-25 2005-06-23 Watlow Electric Manufacturing Co., St. Louis Verfahren zum Befestigen eines elektrischen Leiters auf einem Flächenelement, sowie Heißkanalelement, insbesondere für eine Kunststoff-Spritzeinrichtung

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10355043A1 (de) * 2003-11-25 2005-06-23 Watlow Electric Manufacturing Co., St. Louis Verfahren zum Befestigen eines elektrischen Leiters auf einem Flächenelement, sowie Heißkanalelement, insbesondere für eine Kunststoff-Spritzeinrichtung

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