DE10064979C1 - Schaltungsanordnung und Verfahren zur Herstellung einer solchen Anordnung - Google Patents

Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung beschrieben, die eine Grundplatte (10) mit Stanzausschnitten (2), welche mit kleinem Überstand (11) auf der zum Kühlkörper (50) befindlichen Seite der Grundplatte (10) herausragen, aufweist, die sich durch eine neuartige thermische Kupplung auszeichnet und sich so für einen sicheren Betrieb bei höchster Stromdichte in dem Hochleistungsbetrieb eignet, sowie deren Verfahren zur Herstellung.

Description

Die Erfindung beschreibt eine Schaltungsanordnung von Halbleiterbauelementen, insbesondere eine solche mit hohen Anforderungen an die Wärmeableitung von den Halbleiterbauelementen zu einem Kühlkörper nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Schaltungsanordnungen sind beispielhaft aus dem Bereich der Leistungshalbleitermodule bekannt. Diese häufig in Lötkontakt ausgeführten Schaltungsanordnungen sind für sehr hohe Leistungsanforderungen geeignet.

Lötkontaktaktausführungen als Verbindungstechnik der Halbleiterbauelemente mit einem Substrat sind aus der Technologie der Herstellung von Schaltungsanordnungen hinlänglich bekannt. Den Stand der Technik bilden zwei Arten der Aufbautechnik für Schaltungsanordnungen mit großen Strömen bzw. großen Stromdichten. Einerseits, wie beispielhaft in der EP 0 750 345 A2 gezeigt, werden die Halbleiterbauelemente auf einem Substrat angeordnet und löttechnisch verbunden und diese direkt mit einem Kühlkörper thermisch leitend verbunden. Andererseits, wie beispielhaft in DE 196 51 632 A1 vorgestellt wird das Halbleiterbauelement auf einem elektrisch isolierenden Substrat aufgebracht und löttechnisch verbunden. Dieses wird mit einer Grundplatte entweder stoffschlüssig mittels Löttechnik oder formschlüssig mittels Druckkontakt verbunden. Diese Grundplatte stellt das Verbindungselement zu einem Kühlkörper dar. Die während des Betriebes entstehende Wärme wird somit durch die Grundplatte auf den Kühlkörper übertragen und abgeleitet. Die Ausgestaltung mit einer Grundplatte bietet gegenüber derjenigen ohne Grundplatte den Vorteil der gesicherten planen Auflage auf einem Kühlkörper und damit der besseren Ableitung der in den Halbleiterbauelementen entstehenden Wärme.

Beiden Ausgestaltungen ist zu eigen, dass je höher die Packungsdichte der Halbleiterbauelemente ist, desto größer ist die abzuführende Wärmemenge.

Eine verbesserte Wärmeableitung auf den Kühlkörper wird erreicht durch eine nicht plane Ausgestaltung der Grundplatte wie beispielhaft in der DE 197 07 514 A1 vorgeschlagen. Durch die konkave Ausgestaltung der Grundplatte vor der Befestigung auf einem Kühlkörper wird eine homogene Druckverteilung über die Grundplatte nach der Befestigung auf einem Kühlkörper erreicht.

Die Wärmeabführung von den Halbleiterbauelementen ist bei Dauer- oder Wechsellastbetrieb von entscheidender Bedeutung für die Funktionssicherheit der Schaltungsanordnung. Die formschlüssige Kupplung der Schaltungsanordnung mit dem Kühlkörper muss auch bei wechselnder thermischer Belastung immer gewährleistet sein. Eine auch nur teilweise thermische Entkopplung verursacht eine Funktionsstörung bis hin zur Zerstörung der gesamten Schaltungsanordnung.

Allen bisher genannten dem Stand der Technik entsprechenden Ausgestaltungen der Wärmeübertragung vom Substrat auf den Kühlkörper, gleich ob sie mit oder ohne Grundplatte ausgeführt sind, ist der Nachteil gemein, dass diese Wärmeübertragung nur unzureichend sein kann, da keine hinreichend gute Verbindung zwischen der Grundplatte, mit den installierten Wärmequellen, und dem Kühlkörper besteht kann. Dies ist begründet in der Gleichartigkeit der Ausgestaltung der Wärmeabführung an den Stellen der Grundplatte über denen sich Halbleiterbauelemente befinden sowie denen über denen sich keine Halbleiterbauelemente und damit keine Wärmequellen befinden.

Aus der EP 0 594 395 A2 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der auf einem Kühlkörper ein Substrats als Leiterplatte ausgestaltet angeordnet ist, welche Ausnehmungen für Leistungshalbleiteranordnungen aufweist. Diese Halbleiteranordnungen weisen jeweils eine Grundplatte zur Abführung der im Halbleiterbauelement entstehenden Wärme auf.

Aus dem japanischen Abstract JP 2000 031358 A ist eine Schaltungsanordnung bekannt bei der die Grundplatte Vertiefungen aufweist, in die Halbleiterbauelemente über ein Substrat eingelötet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Schaltungsanordnung mit einer Grundplatte vorzustellen, wobei die Gestaltung der Grundplatte eine in allen Betriebszuständen optimale thermische Wärmekupplung zum Kühlkörper aufrechterhält und dadurch eine sehr hohe Leistungsbereitschaft bei maximaler Zuverlässigkeit garantiert.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die maximal mögliche Obergrenze der Wärmeabführung einer Schaltungsanordnung wird begrenzt durch die dauerhafte und gleichförmige Ausgestaltung der thermisch leitenden Verbindung der Grundplatte mit dem Kühlkörper.

Die Wärmeabführung wird verbessert durch die Einbringung von Wärmenestern in die Grundplatte. Unter Wärmenestern sollen diejenigen Bereiche der Grundplatte verstanden werden die gekennzeichnet sind durch

• - die Anordnung einer Wärmequelle beispielhaft in Form eines Leistungshalbleiterschalters oberhalb dieses Bereichs der Grundplatte,
• - eine teilweise oder vollständige Trennung dieses Grundplattenbereichs von der Grundplatte.
• - eine optimale thermische Ankopplung an einen Kühlkörper durch direkten thermischen Kontakt ausschließlich dieser Bereiche der Grundplatte.

Wärmenester können erzeugt werden durch abfallloses Freistanzen von Teilen der Grundplatte im Bereich der Wärmenester und anschließendem Zurückstellen des Stanzausschnittes. Beim Stanzen wird der Stanzausschnitt nicht vollständig von der Grundplatte getrennt sondern verbleibt in einem Verbund mit der Grundplatte. Unter Zurückstellen des Stanzausschnittes soll folgendes verstanden werden:
Die Verbringen des Stanzausschnittes in umgekehrter Richtung in der die Stanzung wirksam wurde in die Nähe der Position vor dem Ausstanzen. Allerdings wird der Stanzausschnitt nicht vollständig in die Position zurückverbracht.

Die Wärmequellen, also z. B. die Halbleiterbauelemente, werden löttechnisch auf der Grundplatte befestigt. Dies stellt beispielhaft auf folgende Art eine metallische Anbindung der zurückgestellten Stanzausschnitte mit der Grundplatte sicher. Das Lot läuft in die Kapillare der Stanzausschnitte ein und verbindet diese mit der verbleibenden Grundplatte. Dieser metallische Verbund besitzt eine gute Wärme-Querleitfähigkeit und hohe mechanische Festigkeit.

Die technisch sinnvolle und ökonomischte Herstellung der Grundplatte ist das Stanzen in einem Folgewerkzeug. Zum Einbringen der Stanzausschnitte für die Wärmenester in die Grundplatte tauchen die mit der Stanzkontur erstellten Vorlochstempel zu ca. 90% der Materialdicke in das Stanzgut ein. Nach dem Freischneiden der Grundplatte mit dem Folgewerkzeug, die Grundplatte ist noch im Stanzverbund, sie ist noch nicht vereinzelt, werden die Stanzausschnitte zurückgestellt. Die zurückgestellten Stanzausschnitte bilden einen kleinen Überstand auf der zum Kühlkörper befindlichen Seite der Grundplatte.

Die Grundplatte mit den aus dem Metall herausgetrennten und zurückgestellten Stanzausschnitten wird vorteilhaft im Verbund befindlich mit dem Folgewerkzeug zur Kühlkörperseite konvex gebogen. Nach diesem Folgeschritt wird die Grundplatte aus den Stanzverbund ausgeschnitten und vereinzelt.

Die geometrische Form des Stanzausschnittes bzw. der Wärmenester wird bestimmt durch die Grundfläche der Wärmequelle, der durch das Material bedingten Wärmespreizung sowie der Dicke der Grundplatte.

Die Wärmenester können auch durch Prägetechnik in die Grundplatte eingebracht werden.

Der Vorteil der Wärmenester im Vergleich zum Stand der Technik:

• - Die thermische Kontaktierung der Grundplatte zum Kühlkörper ist exakt an den Stellen an denen die Wärme entsteht optimal.
• - Die Wärmeabführung der in den Wärmequellen entstehenden Wärme auf einen Kühlkörper ist optimal.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Fig. 1 bis 8 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Leistungshalbleitermoduls nachdem Stand der Technik im Längsschnitt.

Fig. 2 zeigt den Aufbau eines Leistungshalbleitermoduls mit ausgestalteter Grundplatte im Längsschnitt.

Fig. 3 zeigt einen eingebrachten Stanzausschnitt in ein Stanzgut, das im weiteren Verfahren zur Grundplatte vereinzelt wird.

Fig. 4 zeigt eine Grundplatte mit zurückgestelltem Stanzausschnitt.

Fig. 5 zeigt eine Grundplatte mit Wärmenest im Längsschnitt sowie in Draufsicht.

Fig. 6 zeigt die Grundplatte mit teilweise ausgestanztem Stanzausschnitt, im Längsschnitt sowie in Draufsicht.

Fig. 7 zeigt den in Fig. 6 dargestellten Stanzausschnitt winkelig abgebogen .

Fig. 8 zeigt eine Grundplatte mit Wärmenest in Prägeausführung.

Fig. 1 zeigt im Längsschnitt den Aufbau eines Leistungshalbleitermoduls nach dem Stand der Technik. Hier sind ausschließlich die für das Verständnis dieser Erfindung relevanten Teile gezeichnet. Das Modul besteht im wesentlichen aus einer planen Grundplatte (10), löttechnisch (40) aufgebrachten thermisch leitenden sowie elektrisch isolierenden Substraten (30), löttechnisch (41) aufgebrachten Halbleiterbauelementen (31) sowie elektrischen Anschlüssen (32). Das Leistungshalbleitermodul ist mittels Schrauben (51) mit einem Kühlkörper (50) thermisch leitend verbunden.

Durch diese Aufbaumethode ergeben sich die dargestellten, dem Stand der Technik anhaftenden, Nachteile gegenüber der Erfindung. Schaltungsanordnungen erzeugen im Betrieb mit großen Strömen bzw. großen Stromdichten erhebliche Wärmemengen die durch die Grundplatte (10) auf den Kühlkörper (50) übertragen werden und von diesem abgeführt werden müssen. Die Wärmeabführung ist unzureichend, da weder eine definierte Wärmekupplung direkt an der Entstehungsstelle, noch ein ausreichender, dauerhafter und gleichförmiger thermischer Kontakt zum Kühlkörper besteht. Die Wärmeabführung ist bei Dauer- oder Wechselbetrieb nicht gewährleistet, dies kann somit zu einem vorzeitigen Ausfall des Leistungshalbleitermoduls führen.

Fig. 2 zeigt den Aufbau eines Leistungshalbleitermoduls mit ausgestalteter Grundplatte im Längsschnitt. In der Grundplatte (10) sind die zurückgestellten Stanzausschnitte (2) erkennbar. Die Wärmenester werden gebildet durch die Stanzausschnitte (2), löttechnisch (40) aufgebrachten thermisch leitenden sowie elektrisch isolierenden Substraten (30), löttechnisch (41) aufgebrachten Halbleiterbauelementen (31) sowie den elektrischen Anschlüssen (32). Das Lot (40) zur Verbindung der Substrate (30) ist dabei in die Kapillare der Freistanzung (3) eingelaufen.

Die zurückgestellten Stanzausschnitte (2) zeigen einen kleinen Überstand auf der zum Kühlkörper (50) befindlichen Seite der Grundplatte (10). Das Leistungshalbleitermodul ist mittels Schrauben (51) mit einem Kühlkörper (50) thermisch leitend verbunden. Die während des Betriebszustandes auftretende Wärme der einzelnen Wärmenester wird direkt und sehr effektiv mittels des Stanzausschnittes (2) auf den Kühlkörper (50) übertragen und optimal abgeleitet. Die mit definiertem Drehmoment angezogenen Schrauben gewährleisten die optimale Wärmekupplung der Grundplatte (10) zum Kühlkörper (50).

Fig. 3 zeigt) im Längsschnitt einen eingebrachten Stanzausschnitt (2) in ein Stanzgut (1), das im weiteren Herstellungsverfahren zur Grundplatte (10) vereinzelt wird. Die Herstellung des Stanzausschnittes (2) erfolgt mittels Stempel (5) und Matrize (6).

Der Stanzausschnitt (2) ist zu ca. 90% der Materialdicke aus dem Stanzgut (1) abfalllos ausgestanzt. Die abfalllose Freistanzung (3) umschließt den Stanzausschnitt (2) lückenlos, so dass der Stanzausschnitt (2) ein separates, jedoch im Stanzgut (1) eingeklemmtes Teil darstellt.

Fig. 4 zeigt eine Grundplatte (10) mit zurückgestelltem Stanzausschnitt (2) im Längsschnitt. Der separierte, zurückgestellte Stanzausschnitt (2) bildet einen kleinen Überstand auf der zum Kühlkörper (50) befindlichen Seite der Grundplatte (10). Die Größe des Überstandes ist abhängig von der Geometrie sowie der Große der Grundplatte (10) als auch einer möglichen Duchbiegung der Grundplatte vor der Montage auf einem Kühlkörper.

Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt des in Fig. 2 dargestellten Längsschnitts durch ein Leistungshalbleitermodul und eine Draufsicht auf diesen Ausschnitt. Das Wärmenest besteht aus dem Stanzausschnitt (2), dem in die Kapilare der Freistanzung (3) zur Grundplatte (10) eingelaufenen Lot (40) zur stoffschlüssigen Verbindung des thermisch leitenden sowie elektrisch isolierenden Substrates (30), dem Halbleiterbauelement (31) sowie dem Lot (41) zur stoffschlüssigen Verbindung des Halbleiterbauelements mit dem Substrat (30).

Fig. 6 zeigt die Grundplatte (10) mit nur teilweise ausgestanztem Stanzausschnitt (2), im Längsschnitt sowie in Draufsicht. Herbei ist der Stanzausschnitt (2) nicht vollständig freigestanzt (3); es handelt sich also um kein separates, sondern um ein teilweise freigestanztes, allerdings mit der Grundplatte (10) fest verbundenes Stanzteil (2). Anstelle der Rückstellung ist der Stanzausschnitt (2) im Bereich seiner Verbindung mit der Grundplatte (10) durch eine definierte zweifache Biegung dieses Bereiches derart gestaltet, dass die Unterseite des Stanzausschnittes wieder parallel zur Unterseite der Grundplatte verläuft, und sich wiederum ein Überstand (11) ergibt. Damit ist in gleichartiger Weise wie in Fig. 2 und 5 der optimierte thermische Kontakt des Wärmenests mit dem Kühlkörper gegeben.

Fig. 7 zeigt eine weitere Gestaltung einer Grundplatte (10) mit teilweise freigestanztem und winkelig gebogenem Stanzausschnitt (2). Der Stanzausschnitt (2) ist wie in Fig. 6 kein separates Stanzteil, er schließt allerdings im Unterschied zu Fig. 6 einen definierten Winkel mit der Grundplatte (10) ein. Die Schaltungsanordnung des mit definiertem Winkel gebogenen Stanzausschnittes (2) wird, wie in Fig. 2, mittels Schrauben (51) mit definiertem Drehmoment auf einen Kühlkörper (50) aufgeschraubt. Der Stanzausschnitt (2) liegt nun ideal plangebogen auf dem Kühlkörper (50) auf und die Wärmeankopplung der Grundplatte (10) an den Kühlkörper (50) ist optimal.

Fig. 8 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Grundplatte (10). Der Überstand (11) des Grundplattenbereichs des Wärmenestes (8) wird hier durch Prägetechnik erzielt. Die Funktion ist wiederum analog derjenigen Wärmenester in den Fig. 2 und 5.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung bestehend aus einer Grundplatte (10), mindestens einem darauf angeordneten thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Substrat, mindestens einem darauf befindlichen Halbleiterbauelement sowie elektrischen Anschlüssen, wobei die Grundplatte auf einem Kühlkörper aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (10) im Bereich mindestens eines Wärmenestes (2) derart gastaltet ist, dass auf der dem Kühlkörper (50) zugewandten Fläche je Wärmenest ein Überstand (11) herausgebildet ist und ausschließlich dieser Überstand (11) sich in thermisch leitendem Kontakt mit dem Kühlkörper (50) befindet und somit die Wärmeableitung des mindestens einen Wärmenestes ausschließlich über den jeweiligen Überstand (11) erfolgt.

2. Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Überstand (11) der Grundplatte (10) durch lückenloses Freistanzen und nur teilweises Zurücksetzen eines Stanzauschnittes (2) gebildet wird.

3. Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Überstand (11) der Grundplatte (10) durch teilweises Freistanzen eines Stanzausschnittes (2) gebildet wird.

4. Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Überstand (11) der Grundplatts (10) durch Prägen gebildet wird.

5. Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Überstand (11) der Grundplatte (10) durch Laserbearbeitung oder spanabhebende Bearbeitung oder schweißtechnisch hergestellt wird.