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DE19707514C2 - Halbleitermodul - Google Patents

Halbleitermodul

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DE19707514C2 DE1997107514 DE19707514A DE19707514C2 DE 19707514 C2 DE19707514 C2 DE 19707514C2 DE 1997107514 DE1997107514 DE 1997107514 DE 19707514 A DE19707514 A DE 19707514A DE 19707514 C2 DE19707514 C2 DE 19707514C2
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Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleitermodul bestehend aus ei­ ner Metallträgerplatte mit einer oberen Oberfläche und einer unteren Oberfläche, einem Kühlkörper, auf dem die Metallträ­ gerplatte über ihre untere Oberfläche befestigt ist, mehreren wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Substraten, die auf der oberen Oberfläche der Metallträgerplatte befestigt sind, wobei zwischen den Substraten Lücken vorgesehen sind, sowie jeweils zumindest einem auf den Substraten aufgebrach­ ten Halbleiterbauelemente.
Solche Halbleitermodule sind allgemein bekannt.
Um Halbleitermodule vor Zerstörung durch entstehende Ver­ lustwärme zu schützen, ist ein guter wärmeleitfähiger Kontakt der Metallträgerplatten zu den Kühlkörpern erforderlich.
Typischerweise ist die Metallträgerplatte des Halbleitermo­ duls bezogen auf die ebene Oberfläche des Kühlkörpers als konvex gewölbte Fläche - vorzugsweise als Kugeloberfläche - ausgebildet, so daß bei seitlicher Fixierung der Metallträ­ gerplatte auf den betreffenden Kühlkörper die Metallträger­ platte unter mechanischer Spannung an den Kühlkörper ange­ preßt und fixiert wird. Zur Reduzierung des Übergangswärmewi­ derstandes zwischen der Metallträgerplatte und dem Kühlkörper hat sich diese konvexe Ausbildung der Metallträgerplatte als vorteilhaft erwiesen.
Bei Modulen mit größeren Grundflächen entstehen aber mechani­ sche Spannungen zwischen dem Keramiksubstrat und der Metallträgerplatte bei der Montage auf den ebenen Kühlkörper, die schlimmstenfalls zur Zerstörung der Keramiksubstrate führen.
Die Ursache dieser negativen mechanischen Spannungen bei der Montage auf den ebenen Kühlkörper liegt u. a. an den stark unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den verwendeten Metallträgerplatten und den verwendeten Keramik­ substraten. Insbesondere sind die Wärmeausdehnungskoeffizien­ ten von Metallen und Keramik sehr unterschiedlich, so daß die beim Verlöten der Keramiksubstrate mit den Metallträgerplat­ ten auftretende Wärme dazu führt, daß sich die Keramik und die Metallträgerplatte unterschiedlich stark ausdehnen.
Die Folge ist, daß nach Abkühlung der Anordnung nicht mehr eine planparallele, sondern eine, auf die Lage der Keramik­ substrate bezogen, konkav gekrümmte Metallträgerplatte vor­ liegt. Das bedeutet, daß ein guter Kontakt der Metallträger­ platte zum Kühlkörper nur noch an den seitlichen Flächen der Anordnung gewährleistet ist, der Mittelteil jedoch keinen o­ der nur schlechten Kontakt aufweist, so daß die Wärmeablei­ tung unbefriedigend ist.
Das Dokument JP-57-192053 A (Patent Abstracts of Japan, E- 159) beschreibt eine Halbleiteranordnung, wobei diese einen Kühlkörper und eine Metallträgerplatte aufweist, wobei auf der Metallträgerplatte auf einem Substrat mehrere Halbleiter­ chips angeordnet sind. Die Metallträgerplatte weist Rillen bzw. Schlitze auf, die beim Befestigen der Metallplatte auf den Kühlkörper dafür sorgen sollen, mechanische Spannungen auf das Substrat aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdeh­ nungskoeffizienten von Substrat und Metallträgerplatte aus­ zugleichen. Die fertige Halbleiteranordnung weist unterhalb des Substrates einen Zwischenraum zwischen Metallträgerplatte und Kühlkörper auf, welcher den Wärmeübergang behindert.
Die JP-2-77143 A (Patents Abstracts of Japan, E-936) be­ schreibt eine Halbleitervorrichtung mit einer vorgekrümmten Wärmeverteilerplatte sowie einer isolierenden Substratplatte, auf der sich Halbleitermodule, welche ihrerseits auf einem Träger sitzen, aufgebracht sind. Die Wärmeverteilerplatte weist eine genau berechnete Krümmung auf, wobei auf der kon­ kav gekrümmten Seite die isolierende Substratplatte aufgelö­ tet wird. Aufgrund der beim Lötprozeß auftretenden unter­ schiedlichen Wärmeausdehnungen nimmt die Krümmung der Wärme­ verteilerplatte ab bis sie flach ist, so daß ein guter Kon­ takt zwischen der Wärmeverteilerplatte und der isolierenden Substratplatte ermöglicht wird. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Krümmung der Wärmeverteilerplatte in einem aufwendigen Rechenprozeß simuliert werden muß.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Halblei­ termodul der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß eine einfache Lötmontage möglich ist, wobei ein einwandfreier thermischer Kontakt zwischen der Metallträgerplatte und dem Kühlkörper gewährleistet bleibt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Halbleitermodul der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß in die Metall­ trägerplatte eine oder mehrere Sollbiegestellen eingebracht sind, wobei die Sollbiegestellen in den den Lücken entspre­ chenden Bereichen der unteren Oberfläche eingebracht sind.
Durch die Einführung von solchen Sollbiegestellen, d. h. von definierten elastischen Stellen, in die Metallträgerplatte werden die mechanischen Spannungen zwischen dem Keramiksubstrat und der Metallträgerplatte bei der Montage auf den Kühlkörper drastisch verringert. Insbesondere wird dadurch der Einsatz von konvexen Metallträgerplatten möglich, ohne daß die Gefahr besteht, daß die in den Modulen befindlichen Keramiksubstrate zerstört werden. Dadurch ist die Fertigung von Halbleitermodulen möglich, die einen sehr günstigen Über­ gangswärmewiderstand aufweisen.
Die Substrate sind vorzugsweise beidseitig metallisiert, um einerseits die Montage auf die Metallträgerplatte zu erleichtern und andererseits die Halbleiterbauelemente struk­ turiert aufbringen zu können.
Die Befestigung erfolgt dabei vorzugsweise über eine Weich­ lotschicht. Wegen der Beziehung ΔX = Δα × ΔT × l, bei der ΔX die Differenz der linearen Ausdehnung und Δα die Differenz der linearen Ausdehnungskoeffizienten von Keramiksubstrat und Metallträgerplatte bezeichnet, sowie ΔT die Tem­ peraturdifferenz der Anordnung zwischen Schmelztemperatur des Lots und der Raumtemperatur und l die Länge des aufzubringen­ den Keramiksubstrats, folgt, daß ein günstiges Verfahren zur Vermeidung von unerwünschten Trägerplattenverformungen darin besteht, ΔX und damit also die Parameter Δα, ΔT und l mög­ lichst zu verkleinern. Δα ist allein materialabhängig und somit nicht variabel, wenn Metallträgerplatten und Keramik­ substrate verwendet werden. Um die Differenz der Temperaturen während des Lötvorgangs und nach Abkühlung der Anordnung mög­ lichst klein zu halten, muß ein Lot verwendet werden, das ei­ ne niedrige Schmelztemperatur besitzt, andererseits jedoch nicht derart niedrig, daß die später bei Betrieb des Halblei­ termoduls auftretende Verlustwärme das Lot zum Schmelzen bringt. Es sind Schmelztemperaturen von ca. 180°C üblich. Diese Maßnahme reicht jedoch nicht mehr aus, wenn größere Ke­ ramiksubstrate verwendet werden sollen, da die Keramik­ substratlängen l ebenfalls proportional in die Beziehung für die Differenz der linearen Ausdehnung zweier unterschiedli­ cher Werkstoffe eingeht. Daher ist es sehr günstig, statt ei­ nes einzelnen großen Keramiksubstrats mehrere kleinere Kera­ miksubstrate zu verwenden, um so die Länge l wunschgemäß zu dimensionieren.
Wie eingangs erwähnt, hat es sich als besonders günstig er­ wiesen, die untere Oberfläche der Metallträgerplatte konvex auszubilden, insbesondere so konvex auszubilden, daß in Längs- und Querrichtung die untere Oberfläche der Metallträ­ gerplatte einer Kugeloberfläche entspricht.
Es ist jedoch auch denkbar, die untere Oberfläche der Metall­ trägerplatte konkav auszubilden und in die Kavität zwischen der unteren Oberfläche der Metallträgerplatte und dem Kühl­ körper eine Wärmeleitpaste einzufügen. Durch die Einbringung von Sollbiegestellen kann die Kavität soweit erniedrigt wer­ den, daß trotz der Kavität und der Wärmeleitpaste immer noch ein befriedigender Übergangswärmewiderstandes erzielt werden kann.
Zweckmäßigerweise werden als Sollbiegestellen Nuten vorgese­ hen, die dann in Längsrichtung, in Querrichtung oder in Längsrichtung und Querrichtung zugleich in die Oberflächen der Metallträgerplatten eingebracht werden. Es ist jedoch auch denkbar anstatt der Nuten andere Vertiefungen in die O­ berflächen der Metallträgerplatten einzubringen, so z. B. ein­ zelne lokale Einkerbungen oder Bohrungen. Ferner ist denkbar, anstatt solcher Bohrungen, Einkerbungen oder Nuten die Me­ tallträgerplatten mit Schlitzen zu versehen. Wesentlich ist, daß die Metallträgerplatten so präpariert werden, daß ihre Biegesteifigkeit herabgesetzt wird.
Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschau­ licht und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch ein Halbleitermodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Halbleitermodul,
Fig. 3 eine Draufsicht auf ein alternatives Halbleitermodul.
Der in Fig. 1 dargestellte prinzipielle Aufbau eines Halb­ leitermoduls 1 besteht aus einer Metallträgerplatte 2 aus Kupfer, dreier mittels Weichlotschicht aufgebrachten Substra­ ten 4 aus Al2O3-Keramik, auf denen, mittels einer weiteren Lotschicht 5, die eigentlichen Halbleiterbauelemente 6 be­ festigt sind.
Die Metallträgerplatte 2 weist eine obere Oberfläche 11 und eine untere Oberfläche 10 auf. Die Metallträgerplatte 2 liegt mit ihrer unteren Oberfläche 10 auf einem Kühlkörper 8 auf und wird über Schrauben 9 auf dem Kühlkörper 8 aufgeschraubt. Die Metallträgerplatte 2 hat eine bezüglich des Kühlkörpers 8 konvex ausgebildete untere Oberfläche 10. Auf der oberen Oberfläche 11 befinden sich drei thermisch gut leitende, elektrisch isolierende Substrate 4, zwischen denen Lücken 13 sind. Die Substrate 4 werden mit der oberen Oberfläche 11 der Metallträgerplatte 2 durch eine Weichlotschicht 3 verbunden. Auf der Oberseite des Substrats 6 sind wiederum über Weichlotschichten 5 Halbleiterbauelemente 6 befestigt. Diese können mit Gehäuseanschlüssen (nicht gezeigt) verbunden wer­ den. Die Oberseiten der Halbleiterbauelemente 6 sind typi­ scherweise über Bondverbindungen miteinander verbunden (nicht gezeigt).
In der unteren Oberfläche 10 der konvex ausgebildeten Metall­ trägerplatte 2 befinden sich zwei Sollbiegestellen 12, die als Nuten ausgebildet sind.
Diese Nuten verlaufen quer zur Längsrichtung der Metallträ­ gerplatte 2 in den den Lücken 13 entsprechenden Bereichen 14 der unteren Oberfläche 11 des Substrats 4, was aus der Fig. 2 zu ersehen ist. Es ist jedoch auch denkbar, eine Nut in Längsrichtung der Metallträgerplatte 2 anzuordnen (Fig. 3).
Durch Einführung der Sollbiegestellen 12 in Form von Nuten in der Metallträgerplatte 2 werden die mechanischen Spannungen zwischen den Keramiksubstraten 4 und der Metallträgerplatte 2 bei den Montage auf den Kühlkörper 8 wesentlich verringert. Insbesondere ist hervorzuheben, daß die Nuten im gezeigten Ausführungsbeispiel überschüssige Wärmeleitpaste aufnehmen können, da sie sich in der unteren Oberfläche 10 der Metall­ trägerplatte 2 befinden, so daß eine weitere Verbesserung des Übergangswärmewiderstandes erreicht werden kann.
Weist die Metallträgerplatte 2 eine wesentlich größere Länge als Breite auf, so genügt unter Umständen eine konvexe Ver­ formung in der Längsrichtung nicht. Bei Metallträgerplatten, deren Querabmessungen recht groß sind und z. B. in der Größe der Querabmessungen liegen, ist eine konvexe Verformung so­ wohl in Längs- als auch in Querrichtung sehr vorteilhaft. Die Metallträgerplatte 2 weist in diesem Fall typischerweise die Form einer Kugelkalotte auf.
In einem praktischen Ausführungsbeispiel hat die Metallträ­ gerplatte 2 eine Länge von 187 mm und eine Breite von 137 mm. Ihre Dicke beträgt 5 mm. Typischerweise verlaufen dann zwei Nuten in einem Abstand von 57 mm zueinander symmetrisch auf der unteren Oberfläche der Metallträgerplatte in Querrich­ tung. Der Öffnungswinkel der Nuten beträgt zweckmäßigerweise 60°, wobei es sich gezeigt hat, daß kleinere Öffnungswinkel zu einer ungenügenden Elastizität und größere Öffnungswinkel zu einem Bruch der Metallträgerplatte bei der Verarbeitung führen können.
Eine solche Metallträgerplatte wird dann beispielsweise durch acht Schrauben auf dem Kühlkörper befestigt.

Claims (10)

1. Halbleitermodul (1) bestehend aus einer Metallträgerplatte (2) mit einer oberen Oberfläche (11) und einer unteren Ober­ fläche (10), einem Kühlkörper (8) auf dem die Metallträger­ platte (2) über ihre untere Oberfläche (10) befestigt ist, mehreren wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Substra­ ten (4), die auf der oberen Oberfläche (11) der Metallträ­ gerplatte (2) befestigt sind, wobei zwischen den Substraten (4) Lücken (13) vorgesehen sind, sowie jeweils zumindest einem auf den Substraten (4) aufgebrachten Halbleiterbauelement dadurch gekennzeichnet, daß in die Metallträgerplatte (2) eine oder mehrere Sollbiegestellen (12) eingebracht sind, wobei die Sollbiegestellen (12) in den den Lücken (13) entsprechenden Bereichen (14) der unteren Oberfläche (10) eingebracht sind.
2. Halbleitermodul nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die un­ tere Oberfläche (10) der Metallträgerplatte (2) konvex ausge­ bildet ist.
3. Halbleitermodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kon­ vexität in Längs- und Querrichtung derart ausgebildet ist, daß sie einer Kugeloberfläche entspricht.
4. Halbleitermodul nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Soll­ biegestellen (12) in den in etwa unter den Rändern der Substrate (4) liegenden Bereichen der unteren Oberfläche (10) eingebracht sind.
5. Halbleitermodul nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Soll­ biegestellen (12) Nuten vorgesehen sind.
6. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate (4) auf die Metallträgerplatte (2) über eine Weichlotschicht (3) befestigt sind.
7. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Halb­ leiterbauelemente (6) über eine weitere Lotschicht (5) auf die Substrate (4) befestigt sind.
8. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Me­ tallträgerplatte (2) auf den Kühlkörper (8) mit Schrauben (9) befestigt ist.
9. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrate (4) Keramiksubstrate vorgesehen sind, insbesondere Al2O3- oder AlN-Substrate.
10. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Me­ tallträgerplatte eine Kupferplatte vorgesehen ist.
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