DE102004018476A1 - Leistungshalbleiteranordnung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leistungshalbleiteranordnung mit einem elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Substrat, das zumindest auf einer Seite mit einer strukturierten Metallisierung versehen ist, einer Kühlvorrichtung, die mit der anderen Seite des Substrats in thermischem Kontakt steht, mindestens einem Halbleiterbauelement, das auf dem Substrat angeordnet ist und mit der strukturierten Metallisierung elektrisch verbunden ist, einer ganz oder teilweise elektrisch isolierenden Folie, die zumindest auf der das mindestens eine Halbleiterbauelement tragenden Seite des Substrats angeordnet ist und die auf das Substrat einschließlich oder ausschließlich des mindestens einen Halbleiterbauelements auflaminiert ist, und einer Anpressvorrichtung, die auf das Substrat über das mindestens eine Halbleiterbauelement eine Kraft ausübt, derart, dass das Substrat gegen die Kühleinrichtung gedrückt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Leistungshalbleiteranordnung.
  • Leistungshalbleitermodule wie sie beispielsweise aus der DE 199 42 915 A1 oder der DE 101 42 971 A1 bekannt sind, weisen einen isolierenden und thermisch leitenden Träger (Substrat) und ein oder mehrere darauf angeordnete Leistungshalbleiterelemente auf. Diese sind über auf derselben Oberseite des Substrats ausgebildete metallische Leiterbahnen miteinander sowie mit Kontaktflächen bzw. Kontaktelementen elektrisch verbunden. Die ebenfalls metallische, beispielsweise kupferbeschichtete Unterseite des Substrats wird durch Druckstücke auf einen Kühlkörper gepresst. Der Kühlkörper dient dazu, die bei Betrieb des Leistungshalbleitermoduls auftretende Wärme abzuführen. Die oben dargelegten Leistungshalbleitermodule werden häufig als bodenplattenlose Module bezeichnet, da zwischen dem Substrat und dem Kühlkörper keine Zwischenplatte aus Metall vorgesehen ist.
  • Bei der Anwendung von Leistungsmodulen ohne Bodenplatte ist es notwendig, die Keramiken fest an den Kühler zu drücken, da im Gegensatz zu Modulen mit Bodenplatte kein mechanisch befestigter Wärmeübergang (metallische Bodenplatte) vorhanden ist. Jedoch besteht bei den bisherigen bodenplattenlosen Leistungshalbleitermodulen das Problem, einen guten thermischen Kontakt herzustellen, ohne dabei die von den Halbleiterelementen wegführenden, zur weiteren Kontaktierung vorgesehenen Bondverbindungen zu beschädigen. Aufgrund der Bonddrähte ist es nicht möglich, direkt auf die Chips zu drücken, um den bestmöglichen thermischen Kontakt zwischen den Wärmequellen (Leistungshalbleiterbauelemente) und über das Substrat hinweg mit dem Kühlkörper zu erzielen. Die Forderung nach einem ausreichenden thermischen Kontakt zum Kühlkörper und die Tatsache, dass nur an bestimmten Stellen Druck auf das Substrat ausgeübt werden kann, führen häufig zu deutlichen Einschränkungen bei der Anwendung derartiger Leistungshalbleitermodule.
  • Bei den bekannten Leistungshalbleitermodulen werden im Umfeld der Halbleiterbauelemente auf dem Substrat Stellen freigehalten, auf denen mittels Stempeln oder Federkontakten Druck auf das Substrat aufgebracht wird. Dabei drücken kleine Stempel, Stifte usw. auf das Substrat. Da die freie Fläche allerdings beschränkt ist, muss daher immer ein Optimum zwischen elektrisch nutzbarer Fläche und notwendiger Fläche zur Aufbringung der Druckkontaktflächen gefunden werden. Der Nachteil liegt hier in dem Flächenbedarf für die Druckstellen und der Tatsache, dass auf den eigentlichen Stellen, die einen guten Wärmekontakt benötigen, nicht direkt Druck aufgebracht werden kann, da diese mit Bonddrähten versehen sind. Aus der DE 199 03 875 ist eine Anordnung bekannt, bei der anstelle von Bonddrähten eine spezielle Druckkontaktierung vorgesehen wird. Diese ist jedoch sehr aufwendig, bei bestimmten Anwendungen auch störanfällig und nur für einen begrenzten Anwendungsbereich einsetzbar.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Leistungshalbleiteranordnung anzugeben, die mit verringertem Aufwand eine verbesserte Entwärmung der Leistungshalbleiterelemente erlaubt.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Leistungshalbleiteranordnung gemäß Patentanspruch 1. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Erfindungsgemäß werden durch die Kontaktierung der Anschlussflächen von Leistungshalbleiterelementen mittels Folienlaminiertechnik anstelle von Bondtechnik großflächige Kontaktflächen erzeugt, bei denen es nun vorgesehen ist, auf diese direkt mit Stempeln, Stiften usw. Druck auszuüben, so dass die Halbleiterbauelemente den maximalen Wärmekontakt erzielen und somit eine sehr gute thermische Anbindung exakt an der Stelle der Wärmeerzeugung erreicht wird. Durch das Aufdrücken an den heißesten Stellen des Moduls kann somit eine optimale Entwärmung erfolgen.
  • Im Einzelnen umfasst eine erfindungsgemäße Leistungshalbleiteranordnung ein elektrisch isolierendes und thermisch leitendes Substrat, dass zumindest auf einer Seite mit einer strukturierten Metallisierung versehen ist. Als Substrate kommen beliebige Schaltungsträger auf organischer oder anorganischer Basis infrage. Solche Substrate sind beispielsweise PCB (Printed Circuit Board), DCB (Direkt Copper Bonding), IM (Insulated Metal), HTCC (High Temperature Cofired Ceramics) und LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics). Diese Substrate weisen zumindest auf einer Seite eine Metallisierung beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium auf. Die Seite des Substrats, auf der die Leistungshalbleiterelemente angeordnet sind, weist dabei bevorzugt eine strukturierte Metallisierung (z. B. Leiterbahnen) zum Kontaktieren der Leistungshalbleiterelemente untereinander sowie mit anderen Bauelementen und Kontaktelementen auf.
  • Auf der anderen Seite des Substrats ist eine Kühlvorrichtung wie beispielsweise ein Kühlkörper, ein Kühlblock oder eine Kühlplatte vorgesehen, welche in thermischem Kontakt mit dem Substrat steht. Die Kühlvorrichtung dient dazu, unmittelbar das Substrat und damit mittelbar auf dem Substrat angeordnete Bauelemente zu entwärmen.
  • Als Bauelement ist mindestens ein Halbleiterbauelement vorgesehen, das auf dem Substrat auf der der Kühlvorrichtung abgewandten Seite angeordnet ist und mit der strukturierten Metallisierung elektrisch verbunden ist. Über das mindestens eine Halbleiterbauelement sowie über weitere Bauelemente, Kontaktelemente sowie freie Stellen des Substrats hinweg, erstreckt sich großflächig eine ganz oder teilweise elektrisch isolierende Folie, die durch auf Auflaminieren großflächig befestigt ist. Wie bereits erwähnt, kann diese Folie einerseits ausschließlich zur Isolation dienen, andererseits aber auch mit Leitungsstrukturen wie beispielsweise Leiterbahnen, Leiterflächen und ähnlichem versehen sein, so dass sie wie eine flexible Leiterplatte wirkt. Die Leiterbahnen können dabei aus Metall oder leitendem Kunststoff bestehen. Darüber hinaus kann auch ein Verbund mehrerer Folien verwendet werden, das heißt mehrere Schichten von Folien und Metallisierungen etc. übereinander, wobei die Schichten in beliebiger Reihenfolge und Ausgestaltung isolierend und/oder teilweise elektrische leitend bzw. vollständig elektrisch leitend sein können.
  • Schließlich ist erfindungsgemäß eine Anpressvorrichtung vorgesehen, die auf das Substrat über das mindestens eine Halbleiterbauelement eine Kraft ausübt derart, dass das Substrat gegen die Kühleinrichtung gedrückt wird. Anpressvorrichtung und Kühlvorrichtung sind also derart angeordnet, dass alle zwischen ihnen angeordneten Elemente, das heißt Halbleiterbauelemente, Bauelemente, Kontaktelemente, Folien, Substrat usw. zusammengedrückt und damit eine Wärmeableitung zum Kühlkörper ermöglicht wird. Dies ist insbesondere wichtig im Hinblick auf das mindestens eine Halbleiterbauelement, das bei Leistungshalbleiteranordnungen die wesentliche Wärmequelle darstellt.
  • Die Anpressvorrichtung kann dabei ein elastisches Element aufweisen, das die Kraft zum andrücken des Substrates bereitstellt. Als elastische Elemente kommen beispielsweise Federn oder federnde Elemente, Kissen aus elastischem Material oder ähnliches infrage. Dabei kann das elastische Element direkt an der gewünschten Stelle angreifen oder aber indirekt mittels eines starren Elements. Derartige starre Elemente sind beispielsweise Stifte, Stempel, Blöcke oder sonstige zur Druckübertragung und Druckeinbringung an den gewünschten Stellen geeignete Elemente. Zum Abstützen der Anpressvorrich tung an der Kühleinrichtung können federnde oder starre Bügel, Gehäuse oder Gehäuseteile oder sonstige Stützkonstruktionen verwendet werden. Die Folie bzw. die Folien können entweder über das mindestens eine Halbleiterbauelement hinweg sich erstrecken oder aber im Bereich des mindestens einen Halbleiterbauelements eine Aussparung aufweisen, wobei dann je nach Fall, die Anpressvorrichtung mittelbar (über die Folie bzw. Folien) oder unmittelbar, das heißt direkt auf das Halbleiterbauelement einwirkt. Für den Fall, dass die Anpressvorrichtung direkt mit dem Halbleiterbauelement in Berührung kommt, kann zudem vorgesehen werden, dass die Anpressvorrichtung auch zum Entwärmen bzw. zum elektrischen Kontaktieren des mindestens einen Halbleiterbauelements vorgesehen wird.
  • Die Anpressvorrichtung kann aber auch dazu eingesetzt werden, freie Stellen des Substrats, andere Bauelemente oder Kontaktelemente falls nötig gegen die Kühleinrichtung zu drücken.
  • Um einen guten Wärmeübergang zwischen Substrat und Kühlvorrichtung zu bewirken, kann vorteilhafter Weise das Substrat eine vollständige oder teilweise Metallisierung beispielsweise mit Kupfer oder Aluminium aufweisen.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figurenzeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt:
  • 1 eine erste allgemeine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leistungshalbleiteranordnung,
  • 2 eine erste alternative Ausführungsform einer Anpressvorrichtung für ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul und
  • 3 eine zweite alternative Ausführungsform für eine Anpressvorrichtung für ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul,
  • 4 eine dritte alternative Ausführungsform für eine Anpressvorrichtung für ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul, und
  • 5 eine vierte alternative Ausführungsform für eine Anpressvorrichtung für ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul.
  • In dem Ausführungsbeispiel nach 1 ist auf einen als Kühlvorrichtung dienenden, Kühlrippen aufweisenden Kühlkörper 1 ein Substrat 2 angebracht, das an ihrer zum Kühlkörper 1 zugewandten Seite eine durchgängige Metallisierung 3 (beispielsweise Kupfer- oder Aluminium-Metallisierung) aufweist. Die andere Seite des Substrats 2 weist eine strukturierte Metallisierung 4 auf, auf der zwei Halbleiterbauelemente 5 und 6 aufgelötet sind. Auf das Substrat 2 sind über die Halbleiterbauelemente 5 und 6 sowie die Metallisierung 4 hinweg eine Folie 7 auflaminiert, wobei die Folie 7 über dem Halbleiterbauelement 6 eine Aussparung aufweist. Über die vorstehend genannte Anordnung hinweg ist ein federnder Bügel 8 isoliert an dem Kühlkörper 1 befestigt derart, dass zwischen dem Bügel 8 und der obersten Schicht der Anordnung, der auflaminierten Folie 7 ein bestimmter Abstand gegeben ist.
  • Der Bügel 8 ist federnd ausgeführt und weist an den Stellen, die den Halbleiterbauelementen 5 und 6 sowie einer nur die Metallisierung 4 aufweisenden Stelle des Substrats 2 gegenüberliegenden Stelle 9 zum Substrat 2 hin gerichtete Ausformungen 10 auf. Zwischen die Ausformungen 10 und der Stelle 9 bzw. den Halbleiterbauelementen 5 und 6 sind Metallstempel 11 in entsprechender Länge eingefügt, welche die von dem Bügel 8 bereitgestellte Federkraft starr auf die Stelle 9 bzw. die Halbleiterbauelemente 5 und 6 übertragen. Auf diese Weise wird das Substrat 2 insbesondere an den entsprechenden Stellen gegen den Kühlkörper 1 gedrückt. Damit wird im Falle der Halbleiterbauelemente 5 und 6 die eigentliche Wärmequelle selbst mittelbar über das Substrat gegen den Kühlkörper gepresst und somit eine bessere Entwärmung erzielt. Die Krafteinleitung an der Stelle 9 hingegen dient rein zur generellen Stabilisierung und Befestigung des Substrats 2.
  • Da im vorliegenden Fall die Stempel voll aus Metall gefertigt sind, können diese zum Einen ebenfalls Wärme aufnehmen und beispielsweise an den Bügel 8 weiterleiten und zum Anderen im Falle des Halbleiterbauelementes 6 dieses auch elektrisch kontaktieren, da das Halbleiterbauelement 6 nicht von der Folie 7 überdeckt wird. Der Anschlussbügel 8 wird daher auch als elektrische Stromschiene verwendet.
  • In den 2 bis 5 sind verschiedene Ausführungsformen von Anpresseinrichtungen gezeigt, wobei der Einfachheit halber jeweils nur von einem einzigen Halbleiterbauelement 12 ausgegangen wird, das auf die Metallisierung 13 eines Substrats 14 befestigt ist. Das Substrat 14 ist nur einseitig metallisiert und steht mit seiner anderen Seite mit einem Kühlkörper 15 in Berührung. Über die Anordnung aus Substrat 14, Metallisierung 13 und Halbleiterbauelement 12 ist eine Folie 15 auflaminiert, wobei bei den Ausführungsbeispielen nach 3 und 5 die Folie über dem Halbleiterbauelement 12 eine Aussparung aufweist.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 ist ein Gehäusedeckel 17 vorgesehen, der beispielsweise aus Kunststoff besteht und der im Bereich des Halbleiterbauelementes 12 eine zu diesem hin gerichtete Ausformung mit einstückig angeformtem Stempel 18 aufweist. Der Gehäusedeckel 17 selbst ist elastisch und im Bereich der Anformung des Stempels 18 durch eine Querschnittsverjüngung 19 noch elastischer gehalten.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 wird ein starrer Deckel 20 aus Metall verwendet. Gegen diesen Deckel 20 stützt sich eine Spiralfeder einerseits ab, die andererseits direkt auf das Halbleiterelement 12 drückt, so dass dieses wiederum über das Substrat 14 gegen den Kühlkörper 15 gedrückt wird zum Zwecke der Entwärmung des Halbleiterbauelementes 12. Da die Spiralfeder 21 und der Gehäusedeckel 20 aus Metall gefertigt sind, können beide ähnlich wie die beim Ausführungsbeispiel nach 1 zur Kontaktierung des Halbleiterbauelementes 12 herangezogen werden.
  • Das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel geht aus dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch hervor, dass die Ausformung im Bereich des Halbleiterbauelementes 12 hohlzylinderförmig einen Bodenabschnitt 22 bildend ausgeformt ist. Dieser Bodenabschnitt 22 dient dabei zum Andrücken unmittelbar an die Folie 16 und über diese mittelbar auf das Halbleiterbauelement 12. Die Kraft wird dabei durch die Elastizität des aus Kunststoff gefertigten Deckels 17 erzeugt.
  • Das Ausführungsbeispiel nach 5 geht schließlich aus dem Ausführungsbeispiel nach 3 dadurch hervor, dass die Spiralfeder 21 durch ein elektrisch leitendes elastisches Gummikissen ersetzt wird.
  • Die oben genannten Anordnungen können in beliebiger Weise abgeändert werden und für beliebige Leistungshalbleiteranordnungen auch im Umfang von passiven Bauelementen, aktiven Steuerungselementen (z.B. integrierten Schaltungen) sowie Kontakt- und Stromführungselementen verwendet werden. Es können dabei isolierende, teilweise isolierende, vollständig leitende Folien und daraus gebildete Folienverbunde einschließlich Metalllagen in gleicher Weise verwendet werden. Als Material für isolierende Folien bzw. den isolierenden Teil von Folien werden vorzugsweise Polyimid-, Polyethylen-, Polyphenol-, Polyetheretherketon- und/oder Epoxidmaterialien verwendet. Das Laminieren kann unter Druck oder im Vakuum und bei Raumtemperatur oder bevorzugt höheren Temperaturen im speziellen Laminierkammern erfolgen.
  • Durch die Kontaktierung der Anschlussflächen mittels Fototechnik können großflächig Kontaktflächen erzeugt werden. Erfindungsgemäß dabei nun vorgesehen, auf diese Flächen direkt mit Stempeln oder Stiften Druck auf die gesamte Anordnung auszuüben. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass es möglich ist, direkt über das Leistungshalbleiterbauelement mittels eines Stempels, einer Feder, eines Stifts oder dergleichen aufzudrücken und somit hier für eine sehr gute thermische Anbindung exakt an der Stelle der Wärmeerzeugung zu sorgen. Durch das exakte Aufdrücken an den heißesten Stellen des so erzeugten Leistungshalbleitermoduls kann somit eine optimale Entwärmung erfolgen. Darüber hinaus kann auch der Druckstempel als Entwärmungsmittel genutzt werden. Je nach Ausbildung einer Isolationsschicht, kann der Stempel nur die Funktion eines Druckstempels, aber auch zusätzlich bei Weglassen der Isolation direkt als Stromanschluss dienen. Darüber hinaus wird durch diese Maßnahme die Entwärmung weiter verbessert.
    • 1
    Kühlkörper
    2
    Substrat
    3
    durchgängige Metallisierung
    5, 6
    Halbleiterbauelemente
    7
    Folie
    8
    Bügel
    9
    Stelle
    10
    Ausformungen
    11
    Metallstempel
    12
    Halbleiterbauelement
    13
    Metallisierung
    14
    Substrat
    15
    Kühlkörper
    16
    Folie
    17
    Gehäusedeckel
    18
    Stempel
    19
    Querschnittsverjüngung
    20
    starrer Deckel
    21
    Spiralfeder
    22
    Bodenabschnitt
    23
    Anpressvorrichtung

Claims (10)

  1. Leistungshalbleiteranordnung mit einem elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Substrat (2, 14), das zumindest auf einer Seite mit einer strukturierten Metallisierung (4, 13) versehen ist, einer Kühlvorrichtung (1, 15), die mit der anderen Seite des Substrats (2, 14) in thermischem Kontakt steht, mindestens einem Halbleiterbauelement (5, 6, 12), das auf dem Substrat (2, 14) angeordnet ist und mit der strukturierten Metallisierung (4, 13) elektrisch verbunden ist, einer ganz oder teilweise elektrisch isolierenden Folie (7, 16), die zumindest auf der das mindestens eine Halbleiterbauelement (5, 6, 12) tragenden Seite des Substrats (2, 14) angeordnet ist und die auf das Substrat (2, 14) einschließlich oder ausschließlich des mindestens einen Halbleiterbauelementes (5, 6, 12) auflaminiert ist, und einer Anpressvorrichtung (8, 11, 17, 29, 21, 22, 23), die auf das Substrat (2, 14) über das mindestens eine Halbleiterbauelement (5, 6, 12) eine Kraft ausübt derart, dass das Substrat (2, 14) gegen die Kühleinrichtung (1, 15) gedrückt wird.
  2. Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 1, bei dem die Anpressvorrichtung (8, 11, 17, 20, 21, 22, 23) ein elastisches Element (8, 17, 21, 22, 23) aufweist, das die Kraft zum Andrücken des Substrates (2, 14) bereitstellt.
  3. Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 2, bei dem die Anpressvorrichtung (8, 11, 17, 20, 21, 22, 23) ein zwischen dem elastischen Element (8, 19) und dem mindestens einen Halbleiterbauelement (5, 6, 12) angeordnetes starres Element aufweist.
  4. Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 1, bei dem die Anpressvorrichtung (8, 11, 17, 20, 21, 22, 23) an der Kühleinrichtung (1, 15) abgestützt ist.
  5. Leistungshalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die auflaminierte Folie (7, 16) sich über mindestens ein Halbleiterbauelement (5, 12) hinweg erstreckt und die Anpressvorrichtung (8, 11, 17, 20, 21, 22, 23) über die Folie (7, 16) und das mindestens eine Halbleiterbauelement (5, 12) eine Kraft auf das Substrat (2, 14) ausübt.
  6. Leistungshalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die auflaminierte Folie (7, 16) im Bereich des mindestens einen Halbleiterbauelements (6, 12) eine Aussparung aufweist und die Anpressvorrichtung (8, 11, 17, 20, 21, 22, 23) durch die Aussparung hindurch und über das mindestens eine Halbleiterbauelement (6, 12) eine Kraft auf das Substrat (2, 14) ausübt.
  7. Leistungshalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Anpressvorrichtung (8, 11, 17, 20, 21, 22, 23) auch zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterbauelements (6, 12) vorgesehen ist.
  8. Leistungshalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Anpressvorrichtung (11) auch zur Entwärmung des Halbleiterbauelements (6) vorgesehen ist.
  9. Leistungshalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Anpressvorrichtung (8, 11) auch an anderen Stellen (9) als an Halbleiterbauelemente (5, 6) aufweisenden Stellen eine Kraft auf das Substrat (2) ausübt.
  10. Leistungshalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das Substrat (2) auf der der Kühleinrichtung zugewandten Seite eine Metallisierung (3) aufweist.
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