DE102004055534B4

DE102004055534B4 - Leistungshalbleitermodul mit einer elektrisch isolierenden und thermisch gut leitenden Schicht

Info

Publication number: DE102004055534B4
Application number: DE102004055534.6A
Authority: DE
Inventors: Mathias Kock; Ronald Eisele
Original assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Current assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Priority date: 2004-11-17
Filing date: 2004-11-17
Publication date: 2017-10-05
Anticipated expiration: 2024-11-18
Also published as: DE102004055534A1

Abstract

Leistungshalbleitermodul mit – einem Träger als Kühlkörper mit einer unebenen profilierten Oberfläche, – einer auf wenigstens Teilbereichen des Trägers durch Kaltgasspritzen aufgebrachten, innig mit dem Träger verbundenen und gut an diesen wärmeübertragend angekoppelten ersten Schicht, die durch aufgespritzte, miteinander verschmolzene Partikel wenigstens eines elektrisch isolierenden, thermisch leitenden Materials ausgebildet ist, – einer durch Kaltgasspritzen von metallischen Partikeln auf Teilbereichen der ersten Schicht aufgespritzten metallischen zweiten Schicht, die innig mit der ersten Schicht verbunden gut an dieser wärmeübertragend angekoppelt ist und eine elektrisch leitende Verdrahtungsebene ausbildet, und – einem Leistungshalbleiter, der auf der metallischen Schicht aufgebracht ist, wobei die erste Schicht die zweite Schicht vom Träger hinsichtlich hoher Ströme oder elektrischer Spannungen, mit denen der Leistungshalbleiter betrieben wird, elektrisch isoliert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit einer elektrisch isolierenden und thermisch gut leitenden Schicht.
Bisher werden Leistungshalbleitermodule typischerweise durch mehrfache Übergänge aus Lot, Kleber, NTV (Niedertemperaturverbindung) oder eine dauerflexible Paste (Wärmeleitpaste) gebildet, die die verschiedenen Teilelemente Kühlkörper, Wärmesenke (Bodenplatte), Substrat und Halbleiter miteinander verbinden.
Dabei müssen zunächst die Halbleiter auf das Substrat aufgelötet werden, das zumeist aus mehreren Schichten (isolierenden und metallischen) besteht, das Substrat wiederum auf eine metallische Wärmesenke aufgelötet werden, die thermisch (und meist auch elektrisch) gut leitend die Wärmespreize darstellt und schließlich diese Wärmespreize mit einem Kühlkörper verbunden werden. Wichtig ist, daß die hohen Ströme oder elektrischen Spannungen, mit denen die Leistungshalbleiter betrieben werden, nicht an den Kühlkörper gelangen können.
Es ist daher wichtig, eine sichere elektrische Isolierung zu schaffen, dennoch einen guten Wärmeübergang zu gewährleisten. Üblicherweise wird daher das Substrat als Dickschichtkeramik, DCB oder dergleichen aufgebaut, bei der ein keramischer Kern, z. B. Al₂O₃oder AlN oder dergleichen als Isolator mit guter Wärmeleitung mit zwei strukturierten elektrisch leitenden Schichten versehen ist, die z. B. aus Kupfer oder aus Dickschichtpasten bestehen.
Problematisch bei einem derartigen Aufbau ist, dass die erheblichen Wärmemengen durch einen oder mehrere Übergänge aus Lot oder Kleber geleitet werden, die durch Alterung verspröden, wobei der Wärmefluss dann durch entsprechend geringere Querschnitte geleitet werden muss, die dann um so schneller altern.
Bei Leistungsmodulen ist insbesondere der Übergang zwischen DCB und Wärmesenke oder Kühlkörper problematisch, da dieser im allgemeinen gelötet wird und bei Temperaturwechseln aufgrund seiner großen Fläche und dem Unterschied in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zusätzlich zu den Temperaturzyklen mechanisch belastet wird.
Der Kühlkörper wiederum besteht meist aus Aluminium, welches nicht lötbar ist. Dieses erfordert einen Aufbau mit mehreren Schichten. Vorteilhaft wäre, statt dieses aufwendigen Verfahrens mit zusätzlichen Übergangsschichten den, den Aufbau zu vereinfachen und damit die Anzahl der Wärmeübergänge zu reduzieren.
Die DE 89 14 493 U1 weist einen Aufbau eines Leistungshalbleitermoduls auf, auf dessen Aluminiumkühlkörper eine elektrisch isolierende Schicht aus Keramikpartikeln mittels eines thermischen Spritzverfahrens aufgebracht wird, wobei das Ziel ist, wenig Wärmeübergänge zu erzeugen und die Herstellung zu vereinfachen.
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gesetzt, eine gut haftende elektrisch isolierende Schicht und eine gut haftende Verdrahtungsschicht zu schaffen, die zwischen Kühlkörper und Halbleiter eingesetzt werden können, wobei wenig Wärmeübergänge erzeugt werden und die Herstellungskosten gering gehalten werden.
Die Aufgabe wird durch einen Aufbau mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungen an.
Durch Aufspritzen von Partikeln mittels Kaltgasspritzen wenigstens eines elektrisch isolierenden, thermisch leitenden Materials auf wenigstens Teilbereiche eines Trägers wird eine innig mit dem Träger verbundene, gut an diesen wärmeübertragend angekoppelte Schicht ausgebildet, auf die dann leicht eine gut haftende Metallisierung und der Halbleiter aufgebracht werden kann.
Vorteilhafterweise bestehen die Partikel bereits aus einem keramischen Material, beispielsweise Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxid Al₂O₃. Die Schicht kann dabei auf der Wärmesenke einer metallischen (z. B. Kupfer-)Platte oder auch auf dem ansonsten nicht lötgeeigneten Aluminium des Kühlkörpers direkt aufgebracht werden.
Dabei kommt ein mit einer unebenen Oberfläche versehener Träger, beispielsweise eine profilierte Aluminiumplatte, zum Einsatz, bei dem die aufgebrachte elektrisch isolierende Schicht die Ungleichheiten in der Planarität ausgleichen kann.
Schließlich kann durch die aufgebrachte, nicht leitende Schicht auch eine Anpassung an die thermischen Ausdehnungskoeffizienten, entweder eines Aluminiumkühlkörpers oder einer Wärmesenke, z. B. aus Kupfer, erfolgen. Auch an die elektrisch leitfähige Schicht, die später ebenfalls durch Kaltgasspritzen (CGT) aufgebracht wird, kann eine Anpassung erfolgen.
Durch das Herstellen einer elektrisch isolierenden ersten Schicht und einer metallischen zweiten Schicht mittels Kaltgasspritzen wird sowohl ein wesentlich kompakterer Aufbau mit weniger Schichten als auch ein Aufbau mit weniger Schwachstellen und hoher Zuverlässigkeit erreicht. Dass die Herstellung dadurch kostengünstig ist, ist ein weiterer Vorteil.
Das Leistungshalbleitermodul besitzt einen Aufbau, bei dem durch Kaltgasspritzen aufgespritzte, miteinander verschmolzene Partikel wenigstens eines elektrisch isolierenden, thermisch leitenden Materials auf wenigstens Teilbereiche eines Trägers mit einer unebenen profilierten Oberfläche eine innig mit dem Träger verbundene, gut an diesen wärmeübertragend angekoppelten Schicht ausbilden, und eine mit dieser Schicht innig verbundene elektrisch leitende Verdrahtungsebene auf der aufgespitzten Schicht vorgesehen ist. Diese Verdrahtung wird durch Aufspritzen von metallischen Partikeln ebenfalls mittels Kaltgasspritzen auf Teilbereiche der ersten Schicht aufgebracht. Wesentlich ist, dass der Auftrag unter Ausbildung einer innig mit der ersten Schicht verbundenen gut an dieser wärmeübertragend angekoppelten zweiten Schicht erfolgt.
Auf der metallischen zweiten Schicht wird der Leistungshalbleiter aufgebracht.
Dieser Aufbau eignet sich besonders für Kühlkörper bzw. Substrate als Träger mit unebenen profilierten Oberflächen.

Claims

Leistungshalbleitermodul mit – einem Träger als Kühlkörper mit einer unebenen profilierten Oberfläche, – einer auf wenigstens Teilbereichen des Trägers durch Kaltgasspritzen aufgebrachten, innig mit dem Träger verbundenen und gut an diesen wärmeübertragend angekoppelten ersten Schicht, die durch aufgespritzte, miteinander verschmolzene Partikel wenigstens eines elektrisch isolierenden, thermisch leitenden Materials ausgebildet ist, – einer durch Kaltgasspritzen von metallischen Partikeln auf Teilbereichen der ersten Schicht aufgespritzten metallischen zweiten Schicht, die innig mit der ersten Schicht verbunden gut an dieser wärmeübertragend angekoppelt ist und eine elektrisch leitende Verdrahtungsebene ausbildet, und – einem Leistungshalbleiter, der auf der metallischen Schicht aufgebracht ist, wobei die erste Schicht die zweite Schicht vom Träger hinsichtlich hoher Ströme oder elektrischer Spannungen, mit denen der Leistungshalbleiter betrieben wird, elektrisch isoliert.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel der ersten Schicht aus einem keramischen Material bestehen.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.