DE19707514C2 - Halbleitermodul - Google Patents
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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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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Title |
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Also Published As
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |