AT411126B

AT411126B - Halbleitermodul

Info

Publication number: AT411126B
Application number: AT5612001A
Authority: AT
Inventors: Werner Ing Lachmann
Original assignee: Siemens Ag Oesterreich
Priority date: 2001-04-06
Filing date: 2001-04-06
Publication date: 2003-09-25
Also published as: DE10205408A1; ATA5612001A; CH695518A5

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleitermodul, bestehend aus einem Gehäuse, welches an einer Seite durch einen metallischen Wärmeleitsockel abgeschlossen ist, der im Gehäuseinneren mit zumindest einer beidseitig metallisch beschichteten, elektrisch isolierenden und gut wärmelei- tenden Keramikschicht über eine Lotschicht verbunden ist, wobei auf der inneren der beiden metal- lischen Beschichtungen zumindest ein Halbleiterelement sitzt.

Ein Halbleiterelement dieser Art ist beispielsweise in der DE 199 52 966 A1 beschrieben. Aus diesem Dokument geht auch die Bedeutung Eines guten Wärmeüberganges zwischen Halbleiter- element und Wärmeleitsockel hervor, der mit Hilfe z. B. eines Bolzens an einem Kühlkörper befes- tigt werden kann. Die Befestigung eines Halbleitermoduls an einem Kühlkörper ist jedoch mit verschiedenen Problemen verbunden, welche die thermische Belastbarkeit des Moduls betreffen.

Zwischen den Oberflächen des Wärmeleitsockels und des Kühlkörpers sollte ein innig wärme- leitender Kontakt hergestellt werden, doch ist der Wärmeübergangswiderstand stark von der Ober- flächenqualität, wie z. B. Planheit, Rauhigkeit, dem Anpressdruck, der Art einer allfällig verwende- ten Wärmeleitpasta, der Beschaffenheit allfälliger Isolierlagen, etc. abhängig und überdies zeitlich variabel, z. B. durch Alterungsprozesse. Der genannte Wärmeübergangswiderstand ist somit weder genau vorherbestimmbar, noch reproduzierbar oder konstant, sodass bei der Dimensionierung immer von einem wesentlich schlechteren Wert als theoretisch erreichbar ausgegangen werden muss.

Ein weiteres Problem liegt darin, dass ein Kühlkörper, z. B. ein solcher mit Kühlrippen und Luft- kühlung, im Bereich der Befestigung an dem Halbleitermodul eine gewisse Mindestdicke, z. B. 8 bis 10 mm, aufweisen muss, um eine ausreichende mechanische Festigkeit, z. B. für Gewindeboh- rungen, zu beten. Durch diese Dicke erhöht sich aber wieder der Wärmeübergangswiderstand bzw. die zugehörige Zeitkonstante zwischen Wärmeleitsockel und dem tatsächlich gekühlten Bereich (Kühlrippen). So kann beispielsweise bei üblichen Kühlkörpern aus Aluminium in deren Grundplatte bei Hochleistungskühlanordnungen eine Temperaturdifferenz von 2 bis 3 K je 10 mm auftreten.

Aus der US 5,513,072 A geht eine Metallplatte hervor/auf der einerseits gedruckte Schaltungen befestigt, z. B. aufgeklebt oder aufgelötet sind, andererseits auch der Wärmeleitsockel für einen Leistungshalbleiter, wobei sich zwischen diesem Wärmeleitsockel und der Metallplatte eine Isolier- schicht aus einem Kunstharz befindet. Im Gegensatz zu der Anordnung nach der oben genannten DE 199 52 966 A1 ist keine beidseitig beschichtete Keramikschicht vorgesehen.

Die EP 0 661 917 A1 zeigt eine hermetisch abgedichtete Dose für Flüssigkeitsdurchlauf zur Ableitung der Wärme aus elektronischen Komponenten. Die Dose besteht aus mit Metall impräg- nierter Keramik, wobei an der oberen Fläche der Dose eine Isolierschicht liegt, auf dieser Metallfl ä- chen und auf den Metallflächen die elektronischen Komponenten. Eine beidseitig Metall- beschichtete Keramiklage ist nicht vorhanden, und es wird auch kein Lötzinn verwendet, vielmehr werden die Dose und die Isolierschicht während der Herstellung in flüssiges Aluminium getaucht.

Die Herstellung einer solchen Anordnung ist sehr aufwändig und teuer.

Der US 5,602,720 ist eine Befestigung für Halbleiter zu entnehmen, bei welcher auf einer rela- tiv massiven Metallplatte aus einer Q-W-Legierung ein kleinerer und dünnerer Wärmeleitsockel aus Kupfer aufgebracht ist. Auf diesem sitzt eine Schicht aus Aluminiumnitrid und letztlich sind auf dieser Isolierschicht die Halbleiter angeordnet. Was die Verbindung der einzelnen Schichten anbe- langt, so ist unter anderem auch Hartlöten erwähnt.

Die FR 2 786 658 A1 beschreibt einen Aufbau zur Kühlung eines Leistungshalbleiters, bei wel- chem ein Kühlkörper aus monokristallinem Silizium vorgesehen ist, der herausgeätzte Kühlkanäle besitzt. Auf diesem Kühlkörper befindet sich eine Isolierschicht, darüber eine Schicht aus einem Leiter oder Halbleiter, und auf diese Schicht ist mit Lötzinn der Leistungshalbleiter aufgesetzt. Die Herstellung insbesondere der aus zwei Teilen bestehenden Kühlkörper ist auch wegen des ver- wendeten Materials teuer.

Den hier behandelten bekannten Lösungen ist zueigen, dass sie entweder gar nicht für An- wendungen sehr hoher Leistungsdichte geeignet sind, oder dass ihre Herstellung sehr teuer ist.

Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, bei Anwendungen mit sehr hoher Leistungsdichte die Bedingungen für die Kühlung so zu verbessern, dass den oben genannten Nachteilen entgegen- gewirkt wird.

Diese Aufgabe wird mit einem Halbleitermodul der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem

erfindungsgemäss der Wärmeleitsockel als Kühlkörper ausgebildet ist, welcher zur Ableitung der im Betrieb auftretenden Verlustleistung des Moduls bei forcierter Kühlung durch ein Kühlfluidum dimensioniert ist.

Die Erfindung verzichtet somit bewusst auf eine physikalische Trennung zwischen Wärmeleit- sockel und Kühlkörper, wodurch die damit verbundenen Probleme des Wärmeüberganges vermie- den sind. Auch kann der Weg zwischen dem zu kühlenden Halbleiterelement und dem Kühlfluidum signifikant verkürzt werden. Für den Anwender entfällt die Notwendigkeit, einen Kühlkörper zu beschaffen und die genannten Unsicherheiten bei der Montage an einem Kühlkörper entfallen. Der als Kühlkörper ausgebildete Wärmeleitsockel benötigt wesentlich weniger Material, als die Kombi- nation Wärmeleitsockel-Kühlkörper.

Für die vorgesehenen Hochleistungsanwendungen empfiehlt es sich besonders, wenn der Wärmeleitsockel aus Kupfer besteht.

Bei Kühlung mit Gasen, insbesondere mit Luft ist es zweckmässig, wann der Kühlkörper mit Kühlrippen versehen ist.

Andererseits ist es insbesondere bei Flüssigkeitskühlung ratsam, dass der Kühlkörper Kanäle zur Führung des Kühlfluidums besitzt.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung besteht die Keramikschicht aus Aluminium- oxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid oder Berylliumoxid, was aber andere Materialien nicht ausschliessen soll.

Es ist weiters im Hinblick auf einen bestmöglichen Wärmeübergang sinnvoll, wenn das zumin- dest eine Halbleiterelement auf der inneren metallischen Beschichtung aufgelötet ist.

Besonders sinnvoll zeigt sich die Erfindung, wenn das zumindest eine Halbleiterelement ein SiC-Halbleiterelement ist, da derartige Halbleiterelemente besonders hohe Temperaturen zulas- sen.

Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist im folgenden anhand beispielsweiser Ausführungs- formen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen . Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch ein Halbleitermodul gemäss der Erfindung, ' Fig. 2 in einer ähnlichen Darstellung ein solches Halbleitermodul mit anderer Ausgestal- tung des Kühlkörpers.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht ein Halbleitermodul gemäss der Erfindung aus einem Gehäu- se 1 das an einer Seite durch einen Wärmeleitsockel 2 abgeschlossen ist. Ein solcher Wärmeleit- sockel besteht im allgemeinen aus Metall, z. B. aus Aluminium oder Kupfer, bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung jedoch aus Kupfer mit einer zumindest teilweisen Vernickelung.

Das Gehäuse 1 ist in geeigneter, hier nicht im Detail dargestellter, dem Fachmann jedoch bekann- ter Art und Weise mit dem Wärmeleitsockel 2 verbunden und kann jede gewünschte Form aufwei- sen.

Im Inneren des Gehäuses ist mit dem Wärmeleitsockel 2 eine Keramikschicht 3 über eine Lot- schicht 4 verbunden. Die Keramikschicht 3 ist beidseitig metallisch beschichtet und elektrisch isolierend, jedoch gut wärmeleitend. Eine solche Keramikschicht kann beispielsweise aus Alumini- umoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid oder Berylliumoxid bestehen. Sie ist beidsei- tig metallisch beschichtet, einerseits um einen lötbaren Übergang zur Lotschicht 4 zu ermöglichen und andererseits um eine Verbindung mit einem Halbleiterelement 7,8 zu ermöglichen. Ein sol- ches Halbleiterelement 7,8 kann gegebenenfalls durch geeignete federnde Mittel gegen die Kera- mikschicht gepresst sein.

Die Halbleiterelemente 7,8 können beispielsweise durch Löten mit der inneren metallischen Beschichtung 5 der Keramikschicht 3 verbunden sein. Da für die Erfindung nicht wesentlich, sind elektrische Anschlüsse zu den Halbleiterelementen 7,8 nicht gezeigt, in der Praxis jedoch selbst- verständlich vorhanden.

Wie Fig. 1 entnehmbar, ist der Wärmeleitsockel 2 als insgesamt mit 9 bezeichneter Kühlkörper ausgebildet, der abstehende Kühlrippen 10 besitzt. Das Halbleitermodul kann beispielsweise mit Hilfe von Schrauben in einem elektronischen Gerät befestigt werden, wozu beispielsweise Durch- gangsbohrungen 12 oder Gewindebohrungen in vorstehenden Abschnitten des Wärmeleitsockels 2 ausgebildet sind.

In den Halbleiterelementen 7,8 während des Betriebes entstehende Verlustwärme wird über die Keramikschicht 3 und die metallischen Beschichtungen 5,6 sowie allfällige Lotschichten unmit- telbar in den Kühlkörper 9 abgeleitet, ohne dass es zu den eingangs erwähnten Problemen des Wärmeuberganges zwischen einem Wärmeleitsockel einerseits und einem Kühlkörper andererseits kommt. Insgesamt kann der Abstand zwischen den Halbleiterelementen 7,8 und den beispielswei- se von Luft umblasenen Kühlrippen 10 besonders gering gehalten werden.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 entspricht im wesentlichen jener nach Fig. 1 doch ist hier der Kühlkörper 9, gebildet von dem Wärmeleitsockel 2, mit Kanälen 11versehen, durch welche ein Kühlfluidum fliessen kann. Mittels eines solchen Kühlfluidums, beispielsweise Wasser, kann natur- gemäss bei Höchstleistungsanwendungen eine besonders effektive Kühlung erzielt werden. Befes- tigungsbohrungen 13 sind hier als Sackbohrungen gezeigt.

PATENTANSPRÜCHE:
1. Halbleitermodul, bestehend aus einem Gehäuse (1),welches an einer Seite durch einen metallischen Wärmeleitsockel (2) abgeschlossen ist, der im Gehäuseinneren mit zumin- dest einer beidseitig metallisch beschichteten, elektrisch isolierenden und gut wärmelei- tenden Keramikschicht (3) über eine Lotschicht (4) verbunden ist, wobei auf der inneren (5) der beiden metallischen Beschichtungen (5,6) zumindest ein Halbleiterelement (7,8) sitzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitsockel (2) als Kühlkörper (9) ausgebildet ist, welcher zur Ableitung der im
Betrieb auftretenden Verlustleistung des Moduls bei forcierter Kühlung durch ein Kühlflui- dum dimensioniert ist.

Claims

2. Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitsockel (2) aus Kupfer besteht.

3. Halbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (9) mit Kühlrippen (10) versehen ist.

4. Halbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (9) Kanäle (11) zur Führung des Kühlfluidums besitzt.

5. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschicht (3) aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid oder Berylliumoxid besteht.

6. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Halbleiterelement (7,8) auf der inneren metallischen Beschichtung (5) auf gelötet ist.

7. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Halbleiterelement (7,8) ein SiC-Halbleiterelement ist.