DE102005047547B4

DE102005047547B4 - Andrückkonzept für ein Substrat eines Leistungsmoduls und Leistungsmodul

Info

Publication number: DE102005047547B4
Application number: DE200510047547
Authority: DE
Inventors: Walter Apfelbacher; Stephan Jonas; Markus Meier; Norbert Reichenbach; Johann Seitz; Bertrand Viala
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2025-10-01
Also published as: DE102005047547A1

Abstract

Einrichtung zum Andrücken eines Substrats (2) für ein Leistungsmodul an eine Bodenplatte eines Modulgehäuses (1), mit zumindest einem Andrückelement (7, 9, 11, 12), das eine Andrückkraft auf das Substrat (2) ausübt, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufnehmen einer der Andrückkraft entgegen gerichteten Gegenkraft auf der dem Substrat (2) gegenüber liegenden Seite des Andrückelements (7, 9, 11, 12) eine Stromschiene (6) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Andrücken eines Substrats an eine Bodenplatte und ein Leistungsmodul.
Eine derartige Einrichtung kommt auf dem Gebiet von Leistungsmodulen zum Einsatz, die als Trägerschicht für die in den Leistungsmodulen benötigten Halbleiter ein Substrat, insbesondere ein Direct-Copper-Bonding- (DCB-) Substrat verwenden. Die in diesen Modulen verwendeten Leistungshalbleiter haben eine große Verlustleistung im Betrieb, die mit einer entsprechenden Entstehung von Wärme einhergeht. Diese Wärme muss schnell und effektiv abgeführt werden. Allerdings weist die DCB-Substratoberfläche u.a. durch den Herstellungsprozess eine Durchwölbung auf, d.h. das DCB-Substrat liegt nicht sauber auf einer Bodenplatte auf, so dass der Wärmeübergang von den Leistungshalbleitern durch das DCB-Substrat zu z.B. einem Kühler mangelhaft ist.
Aus DE 33 23 246 A1 ist ein Leistungsmodul bekannt, bei dem ein DCB-Substrat direkt vom Gehäuse durch Verstrebungen mit Abstützungen gedrückt wird, die einer Verformung des Substrats entgegenwirken. Der größte Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass dadurch ziemlich viel Platz auf dem DCB-Substrat gebraucht wird.
Aus DE 35 08 456 C2 ist ein Leistungsmodul bekannt, bei dem das DCB-Substrat vom Gehäuse aus über Justierschrauben flachgedrückt wird. Zusätzlich kann ein Zwischenstück aus Kunststoff zwischen Schraubenspitze und DCB-Substrat hinzugefügt werden. Diese Lösung kann aber nur bei oben verschlossenen Modulen durchgeführt werden.
Aus EP 1 083 603 B1 ist ein Leistungsmodul bekannt, bei dem Kontaktschnüre mit elastischem Kern verwendet werden, die über Kontaktschienen auf das DCB-Substrat gedrückt werden. Bei dieser Lösung ist der Bedarf an freiem Platz auf dem DCB-Substrat wieder zu groß.
Weitere bekannte Verfahren verwenden beispielsweise zweilagigen Verguss und mechanische Andrückelemente. Diese Lösungen sind ziemlich aufwendig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Gewährleistung einer sicheren, sauberen und planaren Auflage des Substrats auf einer Bodenplatte zur Verbesserung des Wärmeübergangs bzw. der Wärmeableitung anzugeben, die die Nachteile der bekannten Lösungen vermeidet.
Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art durch die Merkmale des Gegenstandes des Patentanspruchs 1 gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines im Wesentlichen zentral angeordneten Andrückelements braucht die Einrichtung kaum Platz auf dem Substrat. Vorteilhaft ist es, wenn das Substrat als Direct-Copper-Bonding- (DCB-)Substrat ausgeführt ist. Allerdings kann der vorhandene Platz durch die Verwendung von Andrückelementen mit großflächigeren Andrückflächen in verschiedenen, auch unregelmäßigen, Formen, optimal genutzt werden. Außerdem kann diese Lösung durch die Positionierung des Andrückelements unterhalb der Stromschiene, die die der Andrückkraft entgegen gerichtete Gegenkraft aufhält, auch in einem offenen Modul durchgeführt werden. Zusätzlich gewährleistet die erfindungsgemäße Einrichtung ein schnelles, billiges und zugleich effektives Anbringen der Andrückkraft auf das DCB-Substrat, und die Montage des Andrückelements ist nach dem Löt- und Bondprozess möglich.
In einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung ist als Andrückelement ein an der Stromschiene befestigbares Kunststoffteil vorgesehen. Diese einfache und effektive Lösung ermöglicht ein Andrücken des DCB-Substrats direkt von der Stromschiene aus.
In einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung ist als Andrückelement ein an der Stromschiene befestigbarer großflächiger Stempel vorgesehen. Dieser kann direkt auf einen Weichverguss drücken, der auf die auf dem DCB-Substrat aufgebrachten elektronischen Bauteile aufgebracht wird.
In einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung ist als Andrückelement eine durch die Stromschiene hindurch drehbare Schraube vorgesehen. Hierdurch kann alternativ die Krafteinleitung weggesteuert oder kraftgesteuert erfolgen.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsformen ist die Spitze der als Andrückelement durch die Stromschiene hindurch drehbare Schraube abgeflacht und/oder mit einem elastischen Material, insbesondere Gummi, versehen.
In einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung ist das Andrückelement an sich gegenüber liegenden Seiten des Modulgehäuses befestigbar. Auf diese Weise kann das Andrückelement mit einer Führungskontur versehen werden, die in eine Kontur am Modulgehäuse eingreift. Daraus ergeben sich eine gute Positionierung und kein Verschwimmen des Elements beim Vergießen, d.h. beim Aufbringen des Weichvergusses. Weiterhin kommt das Andrückelement bereits in Berührung mit dem DCB-Substrat oder mindestens einem Halbleiter, woraus schon eine geringe Kraftaufbringung resultiert. Die benötigte Kraftaufbringung erfolgt, nachdem eine Grundplatte, z.B. ein Kühlkörper, auf die untere Fläche des DCB-Substrats angebracht worden ist.
In einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung weist die Einrichtung zur Befestigung des Andrückelements am Modulgehäuse eine mechanische Verrastung auf. Hierdurch wird bereits eine geringe Kraftaufbringung vom Andrückelement auf das DCB-Substrat gewährleistet. Das Andrückelement wird dabei so angelegt, dass es über den späteren Weichverguss herausragt.
In einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung ist zur Erzeugung der Andrückkraft eine oberhalb des Andrückelements an der Stromschiene montierte Feder, insbesondere eine Blattfeder, vorgesehen. Die Feder ist einfach zu montieren und verhält sich wie ein Energie-Kraftspeicher, der die verschiedenen Kriechvorgänge und Toleranzen in seiner Umgebung ausgleichen kann.
In einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung ist zur Erzeugung der Andrückkraft eine oberhalb des Andrückelements durch die Stromschiene drehbare Schraube vorgesehen. Wiederum wird hierdurch eine weg- oder kraftgesteuerte Krafteinleitung ermöglicht.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
1 Leistungsmodul mit Kühlkörper, Stromschiene und Andrückelement für Kraftaufbringung über eine Blattfeder,
2 Andrückelement für Kraftaufbringung über eine Blattfeder mit mechanischer Verrastung am Modulgehäuse,
3 Andrückelement für Kraftaufbringung über eine Blattfeder,
4 Andrückelement für Kraftaufbringung über eine Schraube,
5 Andrückelement für Kraftaufbringung über eine Stromschiene,
6 Andrückschraube für Kraftaufbringung über eine Stromschiene
1 zeigt ein Leistungsmodul in einem Modulgehäuse 1, bestehend aus einem Direct-Copper-Bonding- (DCB-) Substrat 2, das mit Leistungshalbleitern 3 bestückt ist. An der Unterseite des DCB-Substrats 2 ist zur Ableitung der Wärme, die durch die Verlustleistung der Halbleiter 3 entsteht, ein Kühlkörper 4 angebracht. Zum Andrücken des DCB-Substrats 2, das u.a. durch den Herstellungsprozess bedingt eine gewölbte Oberfläche aufweist, an die durch den Kühler 4 gebildete Bodenplatte wird ein im Wesentlichen zentral angeordnetes Andrückelement 7 verwendet, das an zwei sich gegenüber liegenden Seiten am Modulgehäuse 1 befestigt ist. Die Kraftaufbringung auf das Andrückelement 7 erfolgt über eine Blattfeder 8, die sich an einer Stromschiene 6 abstützt. Bei dieser einfach zu montierenden Lösung wirkt die Feder 8 wie ein Energie-Kraftspeicher, der die verschiedenen Kriechvorgänge und Toleranzen seiner Umgebung ausgleichen kann.
2 zeigt eine Befestigung des Andrückelements 7 aus 1 am Modulgehäuse 1. Das Andrückelement 7 ist mit einer Führungskontur versehen, die in eine Kontur am Modulgehäuse 1 eingreift. Hieraus ergeben sich eine gute Positionierung und kein Verschwimmen des Elements 7 beim Vergießen. Eine geringe Kraftaufbringung vom Andrückteil 7 auf das DCB-Substrat 2 wird durch eine mechanische Verrastung 5 des Andrückteils 7 im Modulgehäuse 1 gewährleistet. Das Andrückteil 7 ist so angelegt, dass es über den späteren Weichverguss herausragt.
3 zeigt im Querschnitt, wie sich die Blattfeder 8 an der Stromschiene 6 abstützt und die Andrückkraft auf das Andrückelement 7 überträgt.
4 zeigt im Querschnitt ein Andrückelement 9 für eine Kraftaufbringung über eine Schraube 10, die durch die Stromschiene 6 hindurch drehbar ist. Auch diese Ausführungsform des Andrückelements 9 ist zweiseitig am Modulgehäuse 1 befestigbar, z.B. über die in 2 dargestellte mechanische Verrastung 5. Durch die Verwendung einer Schraube 10, die sich an der Stromschiene 6 abstützt, ist die Krafteinleitung weg- oder kraftgesteuert möglich.
5 zeigt im Querschnitt ein Andrückelement 11 für eine Kraftaufbringung über die Stromschiene 6. Das Andrückelement 11 ist ohne seitliche Halterungen am Modulgehäuse 1 direkt an der Stromschiene 6 befestigt und drückt nach Montage der Stromschiene 6 am Modulgehäuse 1 direkt auf das DCB-Substrat 2.
6 zeigt im Querschnitt als Andrückelement eine Andrückschraube 12 für eine Kraftaufbringung über die Stromschiene 6. Die Andrückschraube 12, deren vorteilhaft abgeflachte Spitze auf das DCB-Substrat 2 drückt, ist durch die Stromschiene 6 hindurch drehbar. Die Spitze der Schraube 12 kann mit Gummi oder irgendwelchem elastischen Material versehen werden.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Einrichtung zum Andrücken eines Substrats, insbesondere eines Direct-Copper-Bonding- (DCB-) Substrats, an eine Bodenplatte. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Gewährleistung einer sicheren, sauberen und planaren Auflage des DCB-Substrats auf einer Bodenplatte zur Verbesserung des Wärmeübergangs bzw. der Wärmeableitung anzugeben, die die Nachteile der bekannten Lösungen vermeidet. Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Einrichtung ein im Wesentlichen zentral angeordnetes Andrückelement zur Übertragung einer Andrückkraft auf das DCB-Substrat aufweist, wobei zum Auffangen einer der Andrückkraft entgegen gerichteten Gegenkraft auf der dem DCB- Substrat gegenüber liegenden Seite des Andrückelements eine Stromschiene vorgesehen ist, die über Befestigungsmittel fest mit einem Modulgehäuse zur Aufnahme des DCB-Substrats verbindbar ist. Als Befestigungsmittel sind beispielsweise Schraubverbindungen oder sonstige Teile wie z.B. ein weiteres Gehäuseteil, denkbar. Insbesondere kann der auf dem DCB-Substrat vorhandene Platz durch die Verwendung von Andrückelementen mit großflächigeren Andrückflächen in verschiedenen, auch unregelmäßigen, Formen, optimal genutzt werden. Denkbar sind also neben den in den Figuren dargestellten stiftförmigen Ausführungen auch Andrückelemente mit arm- oder kreuzförmiger Andrückfläche oder mit mehreren Andrückpunkten.

Claims

Einrichtung zum Andrücken eines Substrats (2) für ein Leistungsmodul an eine Bodenplatte eines Modulgehäuses (1), mit zumindest einem Andrückelement (7, 9, 11, 12), das eine Andrückkraft auf das Substrat (2) ausübt, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufnehmen einer der Andrückkraft entgegen gerichteten Gegenkraft auf der dem Substrat (2) gegenüber liegenden Seite des Andrückelements (7, 9, 11, 12) eine Stromschiene (6) vorgesehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei als Andrückelement (7, 9, 11, 12) ein an der Stromschiene (6) befestigbares Kunststoffteil (11) vorgesehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei als Andrückelement (7, 9, 11, 12) ein an der Stromschiene (6) befestigbarer großflächiger Stempel vorgesehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei als Andrückelement (7, 9, 11, 12) eine durch die Stromschiene (6) hindurch drehbare Schraube (12) vorgesehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 4, wobei das dem Substrat (2) zugewandte Ende der als Andrückelement vorgesehenen Schraube (12) abgeflacht ist.
Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei das dem Substrat (2) zugewandte Ende der als Andrückelement vorgesehenen Schraube (12) mit einem elastischen Material, insbesondere Gummi, versehen ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Andrückelement (7, 9, 11, 12) zumindest ein seitli ches Halteelement aufweist, das an zumindest einer Seite des Modulgehäuses (1) befestigbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 7, wobei die Befestigung des Andrückelements (7, 9, 11, 12) am Modulgehäuse (1) eine mechanische Verrastung (5) aufweist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Erzeugung der Andrückkraft eine zwischen Andrückelement (7, 9, 11, 12) und Stromschiene (6) an der Stromschiene (6) montierte Feder, insbesondere eine Blattfeder (8), vorgesehen ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Erzeugung der Andrückkraft eine derart durch die Stromschiene (6) drehbare Schraube (10) vorgesehen ist, dass das dem Substrat (2) zugewandte Ende der Schraube (10) auf das dem Substrat (2) gegenüber liegende Ende des Andrückelements (7, 9, 11, 12) drückbar ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Andrückelement (7, 9, 11, 12) zentral angeordnet ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (2) ein Direct-Copper-Bonding- (DCB-) Substrat ist.
Leistungsmodul mit einer Einrichtung zum Andrücken nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Leistungsmodul nach Anspruch 13, wobei die Bodenplatte ein Kühlkörper ist.