DE102004035746A1 - Leistungshalbleitermodul - Google Patents
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Abstract
Das Leistungshalbleitermodul hat eine wärmeleitende Bodenplatte (1), die eine Montagefläche (4) zur wärmeabführenden Verbindung mit einem Kühlelement aufweist. Mehrere individuelle Baugruppen (8, 9) mit jeweils mindestens einem Leistungs-Halbleiter (10, 11; 12, 14) sind gegenüber der Montagefläche (4) elektrisch isoliert anzuordnen. DOLLAR A Um ein solches Modul kostengünstig und einfach herzustellen, das sich zudem durch eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit zwischen Modul und Montagefläche auszeichnet, ist vorgesehen, dass die Bodenplatte (1) aus einem elektrisch isolierenden Material besteht, so dass die elektrische Isolation der Baugruppen (8, 9) gegenüber der Montagefläche (4) zumindest teilweise von der Bodenplatte (1) bewirkt ist.
Description
- Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Aufbautechnik von Leistungshalbleitermodulen und betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit einer wärmeleitenden Bodenplatte, die eine Montagefläche zur wärmeabführenden Verbindung mit einem Kühlelement aufweist, und mit mehreren individuellen Baugruppen mit jeweils mindestens einem Leistungs-Halbleiter, die gegenüber der Montagefläche elektrisch isoliert sind,
- Ein derartiges Leistungshalbleitermodul geht aus der
DE 197 21 061 A1 im Zusammenhang mit der Beschreibung eines üblichen Modulaufbaus hervor. Danach ist eine metallische Grundplatte (Bodenplatte) vorgesehen, auf der mehrere Keramiksubstrate nebeneinander angeordnet sind. Auf jedem Substrat ist eine individuelle, autonome elektrische Baugruppe aufgebaut, die einen Leistungshalbleiter in Form eines Bipolar-Transistors mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) und einer Freilaufdiode enthält. Die Substrate bestehen beispielsweise jeweils aus einer Aluminiumoxidplatte, die zwischen zwei (kaschierten) Kupferfolien angeordnet ist. Das Substrat ist über seine unterseitige Kupferfolie direkt mit der Bodenplatte verlötet. Die freie (untere) Seite der Bodenplatte bildet eine Montagefläche, über die das Modul mit einem Kühlkörper in wärmeleitenden Kontakt gebracht werden kann. - Um die notwendige elektrische Isolation der Leistungshalbleiter gegenüber der Montagefläche bzw. einem Kühlkörper sicherzustellen, müssen die Substrate eine ausreichende elektrische Isolation und Durchschlagfestigkeit ausweisen. Dazu bedarf es einer erheblichen Substratdicke, die sich wiederum nachteilig auf die Wärmeleitung von den Leistungshalbleitern zur Montagefläche auswirken kann.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines kostengünstig und einfach herstellbaren Leistungshalbleitermoduls, das sich durch eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit zwischen Modul und Montagefläche auszeichnet.
- Diese Aufgabe wird bei einem Leistungshalbleitermodul der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Bodenplatte aus einem elektrisch isolierenden Material besteht.
- Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht damit darin, die Funktion der elektrischen Isolierung zwischen Modul und Montagefläche bei einem Modul mit mehreren Baugruppen bzw. baugruppentragenden individuellen Substraten zumindest teilweise auf die Bodenplatte zu verlagern. Mit anderen Worten:
Die elektrische Isolation der Baugruppen gegenüber der Montagefläche ist zumindest teilweise von der Bodenplatte bewirkt. Damit kann völlig auf die Verwendung individueller Substrate als Baugruppenträger verzichtet werden, was die Kosten und den Teile/Herstellungsaufwand erheblich mindert. - Allerdings kann die Verwendung separater Substrate unter dem Aspekt der Handhabung und/oder eines baugruppenindividuellen Vorab-Tests zweckmäßig sein; in diesem Zusammenhang sieht eine vorteilhafte Fortbildung der Erfindung vor, die Baugruppen jeweils auf einem Substrat anzuordnen, dessen Dicke im Hinblick auf die Wärmeleitung optimiert ist. Bei der Dimensionierung der Substratdicke können so vorteilhafterweise andere Faktoren stärker als beim üblichen Aufbau berücksichtigt und weiteren Optimierungsaspekten – nämlich insbesondere der Verbesserung der Wärmeleitung – Rechnung getragen werden. Die Substrate können also wesentlich dünner ausgeführt werden, solange im Zusammenwirken mit der isolierenden Bodenplatte sichergestellt ist, dass bestehende Anforderungen an Isolation und Teilentladungsfreiheit erfüllt sind.
- Bevorzugt besteht die Bodenplatte aus einem keramischen Werkstoff hoher thermischer Leitfähigkeit, z.B. AlN oder Si3N4.
- Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass die Bodenplatte Öffnungen für Befestigungsmittel aufweist und dass die Oberseite der Bodenplatte zumindest im Bereich der Öffnungen metallisiert ist. Dadurch werden mechanische Spannungen, die z.B. durch eine die Öffnungen durchdringende Verschraubung erzeugt werden können, gleichmäßig auf die Bodenplatte verteilt. Dies vermindert die Gefahr, dass die (spröde) Bodenplatte infolge punktueller Belastungen bricht oder reißt.
- Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Unterseite der Bodenplatte metallisiert ist. Dies verbessert die Montagemöglichkeiten der Bodenplatte und hilft, punktuelle Belastungen oder Spannungsspitzen zu vermeiden. Zur weiteren Erhöhung der mechanischen Festigkeit der (keramischen) Bodenplatte ist nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Bodenplatte mindestens 1 mm dick ist.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung beispielhaft weiter erläutert. Deren einzige Figur zeigt in perspektivischer Ansicht schematisch ein erfindungsgemäßes Modul.
-
1 zeigt eine Bodenplatte1 aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, nämlich einer Keramik (z.B. Si3N4). Die Bodenplatte ist ca. 1,5 mm dick. In ihren Eckbereichen2 sind Durchgangsbohrungen3 ausgebildet, um die als Montagefläche4 fungierende Unterseite der Bodenplatte bedarfsweise mit einem (nicht gezeigten) Kühlkörper verschrauben zu können. Die Eckbereiche2 sind mit einer Metallisierung5 versehen, um mechanische Spannungen, die bei Verschraubungen durch die Bohrungen3 und auch durch betriebsbedingte (z.B. thermische) Belastungen auftreten können, auf einen größeren Oberflächenbereich der Bodenplatte gleichmäßig zu verteilen. - Zur Vermeidung von Spannungsspitzen ist die Unterseite
4 der Bodenplatte vollständig metallisiert. Denkbar ist auch, die Oberseite6 und die Unterseite4 großflächig zu metallisieren und die Oberseite ggf. zu strukturieren. Die beidseitige Metallisierung hat den Vorteil, dass Verformungen (z.B. Verwölbungen) aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten von keramischem Bodenplattenmaterial und Metallisierungsschichten gegengleiche Spannungen erzeugen und sich so kompensieren. - Auf der Oberseite
6 der Bodenplatte1 sind zwei Baugruppen8 ,9 angeordnet, die jeweils mehrere Leistungshalbleiter10 ,11 und12 ,14 enthalten. Die Baugruppen sind zur Bildung eines Hochleistungs-Halbleitermoduls elektrisch parallel geschaltet und über angedeutete Bonddrähte kontaktiert. - Die Baugruppen
8 ,9 sind jeweils auf einem Substrat18 ,19 aus einer sehr dünnen Keramikschicht20 ,21 aufgebaut, die nur wenige 1/10 mm beträgt. Dadurch weisen die Substrate eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit auf. Die von den Leistungshalbleitern betriebsbedingt generierte Verlustwärme kann also durch die dünnen Substrate18 ,19 schnell und einfach auf die Bodenplatte übertragen werden, von der aus die Wärme zu einem (nicht dargestellten) Kühlkörper gelangt. - Die für die Isolation der Baugruppen gegenüber der Montagefläche
4 (bzw. dem Kühlkörper) notwendige isolierende Funktion wird zum ganz überwiegenden Teil von der aus elektrisch isolierendem Material bestehenden Bodenplatte selbst ausgeübt. Die Isolationsfunktion kann auch vollständig der Bodenplatte überlassen sein, so dass aus dieser Sicht auf die Substrate sogar ganz verzichtet werden könnte. In diesem Fall würde auf der Oberseite6 der Bodenplatte eine metallisierte Struktur vorgesehen werden, auf der die Elemente der Baugruppen direkt montiert werden. - Damit ist ein Modul mit einer sehr effektiven Verlustwärmeabfuhr geschaffen, das einfach aufgebaut ist und bei dem die Bodenplatte unmittelbar mit einem Kühlelement verschraubt werden kann.
-
- 1
- Bodenplatte
- 2
- Eckbereiche
- 3
- Durchgangsbohrungen
- 4
- Montagefläche
- 5
- Metallisierung
- 6
- Oberseite
- 8, 9
- Baugruppen
- 10, 11
- Leistungshalbleiter
- 12, 14
- Leistungshalbleiter
- 18, 19
- Substrat
- 20, 21
- Keramikschicht
Claims (6)
- Leistungshalbleitermodul mit einer wärmeleitenden Bodenplatte (
1 ), die eine Montagefläche (4 ) zur wärmeabführenden Verbindung mit einem Kühlelement aufweist, und mit mehreren individuellen Baugruppen (8 ,9 ) mit jeweils mindestens einem Leistungs-Halbleiter (10 ,11 ;12 ,14 ), die gegenüber der Montagefläche (4 ) elektrisch isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (1 ) aus einem elektrisch isolierenden Material besteht. - Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppen (
8 ,9 ) jeweils auf einem Substrat (18 ,19 ) angeordnet sind, dessen Dicke im Hinblick auf die Wärmeleitung optimiert ist. - Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (
1 ) aus einem keramischen Werkstoff hoher thermischer Leitfähigkeit besteht. - Leistungshalbleitermodul nach einem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte Öffnungen (
3 ) für Befestigungsmittel aufweist und dass die Oberseite (6 ) der Bodenplatte (1 ) zumindest im Bereich der Öffnungen (3 ) metallisiert ist. - Leistungshalbleitermodul nach einem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Montagefläche (
4 ) der Bodenplatte (1 ) metallisiert ist. - Leistungshalbleitermodul nach einem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Bodenplatte (
1 ) mindestens 1 mm beträgt.
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