DE102007046349A1 - Anordnung zum Kühlen eines Leistungshalbleitermoduls - Google Patents

Anordnung zum Kühlen eines Leistungshalbleitermoduls Download PDF

Info

Publication number
DE102007046349A1
DE102007046349A1 DE102007046349A DE102007046349A DE102007046349A1 DE 102007046349 A1 DE102007046349 A1 DE 102007046349A1 DE 102007046349 A DE102007046349 A DE 102007046349A DE 102007046349 A DE102007046349 A DE 102007046349A DE 102007046349 A1 DE102007046349 A1 DE 102007046349A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
arrangement according
heat
substrate
conducting plate
aluminum
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE102007046349A
Other languages
English (en)
Other versions
DE102007046349B4 (de
Inventor
Reinhold Dr. Bayerer
Thomas Dr. Licht
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Publication of DE102007046349A1 publication Critical patent/DE102007046349A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102007046349B4 publication Critical patent/DE102007046349B4/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/31Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L24/32Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/28Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099Material
    • H01L2224/291Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29101Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/29111Tin [Sn] as principal constituent
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/28Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099Material
    • H01L2224/29198Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
    • H01L2224/29199Material of the matrix
    • H01L2224/2929Material of the matrix with a principal constituent of the material being a polymer, e.g. polyester, phenolic based polymer, epoxy
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/28Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099Material
    • H01L2224/29198Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
    • H01L2224/29298Fillers
    • H01L2224/29299Base material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321Disposition
    • H01L2224/32151Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/44Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/45001Core members of the connector
    • H01L2224/4501Shape
    • H01L2224/45012Cross-sectional shape
    • H01L2224/45014Ribbon connectors, e.g. rectangular cross-section
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805Shape
    • H01L2224/4809Loop shape
    • H01L2224/48091Arched
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481Disposition
    • H01L2224/48151Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/48221Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/48225Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H01L2224/48227Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation connecting the wire to a bond pad of the item
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/484Connecting portions
    • H01L2224/4847Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a wedge bond
    • H01L2224/48472Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a wedge bond the other connecting portion not on the bonding area also being a wedge bond, i.e. wedge-to-wedge
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/73Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732Location after the connecting process
    • H01L2224/73251Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73265Layer and wire connectors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/838Bonding techniques
    • H01L2224/8384Sintering
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L24/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/73Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L24/10, H01L24/18, H01L24/26, H01L24/34, H01L24/42, H01L24/50, H01L24/63, H01L24/71
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/00013Fully indexed content
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/00014Technical content checked by a classifier the subject-matter covered by the group, the symbol of which is combined with the symbol of this group, being disclosed without further technical details
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/01005Boron [B]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/01006Carbon [C]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/01012Magnesium [Mg]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/01019Potassium [K]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/01029Copper [Cu]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/01033Arsenic [As]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/0104Zirconium [Zr]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/01041Niobium [Nb]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/01042Molybdenum [Mo]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/01046Palladium [Pd]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/01047Silver [Ag]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/0106Neodymium [Nd]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/01068Erbium [Er]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/01074Tungsten [W]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/01078Platinum [Pt]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/01079Gold [Au]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/01082Lead [Pb]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/013Alloys
    • H01L2924/0132Binary Alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/013Alloys
    • H01L2924/0133Ternary Alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11Device type
    • H01L2924/13Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304Transistor
    • H01L2924/1305Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11Device type
    • H01L2924/13Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304Transistor
    • H01L2924/1305Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • H01L2924/13055Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/15Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/151Die mounting substrate
    • H01L2924/156Material
    • H01L2924/15786Material with a principal constituent of the material being a non metallic, non metalloid inorganic material
    • H01L2924/15787Ceramics, e.g. crystalline carbides, nitrides or oxides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/15Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/151Die mounting substrate
    • H01L2924/156Material
    • H01L2924/1579Material with a principal constituent of the material being a polymer, e.g. polyester, phenolic based polymer, epoxy
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/15Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/181Encapsulation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/30Technical effects
    • H01L2924/301Electrical effects
    • H01L2924/3011Impedance

Abstract

Eine Anordnung zum Kühlen eines Leistungshalbleitermoduls, wobei das Leistungshalbleitermodul ein Substrat mit einer Keramikplatte aufweist und darauf eine Metallisierung aufweisen kann, wobei die Anordnung einen Behälter für den Eintritt eines Kühlmittels mit einer wärmeleitenden Platte aufweist; wobei die wärmeleitende Platte zwei Seiten aufweist, eine mit der Metallisierung des Substrats verbundene Seite und die andere Seite, die mit dem Kühlmittel in Kontakt steht; wobei die wärmelteitende Platte aus Materialien mit einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff-(MMC - Metal Matrix Composite)-Material mit einem Füllgehalt hergestellt ist, was zu einer Wärmeausdehnung unter der von Kupfer führt.

Description

  • ERFINDUNGSGEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Leistungshalbleitermodule und insbesondere eine Anordnung zum Kühlen eines Leistungshalbleitermoduls.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Leistungshalbleitermodule umfassen einen Halbleiterbaustein und mindestens zwei auf einem oder mehreren Substraten innerhalb des Bausteins montierte Leistungshalbleiterchips. Die Leistungshalbleiterchips umfassen üblicherweise Leistungselektronikschaltungen wie etwa Gleichrichterbrücken, Gleichstrom-zuleitungen, IGBT-Inverter, Treiber, Steuereinheiten, Erfassungseinheiten, Halbbrückeninverter, Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler (AC-DC), DC-AC-Wandler, DC-DC-Wandler, bidirektionale Hybridschalter und mehr.
  • Im Fall von mehreren Substraten sind Zwischenverbindungen von einem Substrat zu einem anderen innerhalb des Bausteins vorgesehen. Wie in 1 gezeigt, umfaßt ein Leistungshalbleitermodul 10 als ein Substrat eine isolierende Keramikplatte 14 mit einer Metallisierung 15 und 16 auf jeder Seite der Keramikplatte, doch reicht in einigen Fällen möglicherweise nur eine Metallisierung 15 aus. Auf der Oberseite sind die Leistungshalbleiterchips 12 durch jeglichen bekannten Fügemechanismus, z.B. Löten 13, mit dem Substrat verbunden. Auf der Unterseite ist das Substrat durch einen beliebigen bekannten Fügemechanismus, z.B. Löten 17, mit einer Basisplatte 18 verbunden. Da die Leistungselektronikschaltungen 12 des Leistungshalbleitermoduls beim Betrieb Wärme erzeugen, muß das Modul auf einer Kühlan- ordnung 19 wie etwa beispielsweise einer Wärmetauschanordnung oder einem Kühlkörper montiert sein. Zwischen Kühlkörper und Modul wird wärmeleitendes Fett aufgebracht.
  • Dementsprechend ist eine effiziente Wärmeübertragung zwischen dem Modul und der Kühlanordnung erforderlich. Aus diesem Grund werden viele Materialarten zum Ausbilden der verschiedenen Platten oder Schichten des Moduls sowie verschiedene Montagetechniken zum Verbinden solcher Platten miteinander verwendet. Beispielsweise können Keramiken wie etwa Al2O3 AlN, Si3N4 als das isolierende Material für das Substrat verwendet werden, und Kupfer oder Aluminium werden durch die bekannten Verfahren Direct-Copper-Bonding (DCB), Active-Metal-Brazing (AMB) oder Direct-Aluminium-Bonding (DAB) an die Keramik gebondet. Die Kupferdicke liegt im Bereich von beispielsweise 0,1 mm bis 0,6 mm, und die Keramikdicke liegt im Bereich von beispielsweise 0,2 mm bis 2 mm. Wenn das Substrat an die Basisplatte gelötet wird, wird eine Kupfer- oder eine Aluminiummetallisierung auf beiden Seiten des Keramiksubstrats ausgebildet. Je nach der Anwendung des Leistungshalbleitermoduls können Substrate auch Ni- oder Ni/Au-plattiert werden. Wenn die Metallisierung aus Aluminium besteht, ist im Fall des Lötens das Plattieren ein Erfordernis.
  • Beim Betrieb der Leistungshalbleitermodule unterliegen die Fügeschichten zwischen den Chips und dem oder den Substrat(en) und die zwischen dem oder den Substrat(en) und der Basisplatte thermisch-mechanischer Beanspruchung. Es wird erwartet, daß die Module eine große Anzahl thermischer Zyklen aushalten, d.h., wie hoch die Temperatur über den jeweiligen Temperaturwechsel steigt und abfällt. Leistungshalbleiterchips arbeiten bei Übergangstemperaturen von in der Regel unter 125°C oder 150°C. Die Übergangstemperatur ist die Temperatur des Halbleiterdie innerhalb eines Halbleiterbauelementbausteins, z.B. eines Moduls.
  • Gewisse Anwendungen wie etwa Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich erfordern jedoch eine Übergangstemperatur, die über der herkömmlicher Fälle liegt. Da beispielsweise bei Hybridfahrzeugen erwünscht ist, das Kühlmittel zum Kühlen des Verbrennungsmotors auch zum Kühlen der Leistungshalbleitermodule zu verwenden, kann die Übergangstemperatur für die Leistungshalbleiterchips bis zu 175°C oder sogar 200°C betragen. Ein Ergebnis dieser hohen Übergangstemperatur besteht darin, daß die Arbeitstemperatur beim Substrat in der Regel etwa 110°C beträgt und bis zu 140°C erreichen kann. Deshalb wäre die Fügeschicht zwischen dem Substrat und der Basisplatte dieser Substrattemperatur auf der Substratseite und der Temperatur des Kühlmittels auf der Basisplattenseite ausgesetzt. Genauer gesagt ist die Basisplattenseite der Fügeschicht der Temperatur des Kühlmittels plus einiger 10°C ausgesetzt, was sich aus der thermischen Impedanz von dem Substrat zu der Basisplatte und dem Kühlmittel ergibt. Folglich wird erwartet, daß bei Hybridelektrofahrzeugen die Fügeschicht zwischen dem Substrat und der Basisplatte einen viel größeren Temperaturbereich als im Fall herkömmlicher Anwendungen erfahren könnte – der Temperaturwechsel kann hier 30°C bis 60°C mehr betragen, was ungefähr das Doppelte des Temperaturwechsels ist, wie er in herkömmlichen Fällen angetroffen wird. Da die Lebensdauer des Moduls hinsichtlich der Anzahl der Temperaturzyklen fast exponentiell mit dem Temperaturwechsel und/oder entsprechend 1/ΔTx, wobei x > 1, abnimmt, würde die Anzahl erzielbarer Temperaturzyklen des Leistungshalbleitermoduls bei einer derartigen Anwendung im Kraftfahrzeugbereich signifikant reduziert sein. Dementsprechend besteht ein Bedarf, die Lebensdauer solcher Module zu verlängern.
  • KURZE DARSTELLUNG
  • Eine Anordnung zum Kühlen eines Leistungshalbleitermoduls wird bereitgestellt, wobei das Leistungshalbleitermodul ein eine Keramikplatte und eine Metallisierung darauf umfassendes Substrat aufweist. Die Anordnung kann einen Behälter umfassen für den Eintritt eines Kühlmittels, umfassend eine wärmeleitende Platte; wobei die wärmeleitende Platte zwei Seiten aufweist, eine mit der Metallisierung des Substrats verbundene Seite und die andere Seite, die mit dem Kühlmittel in Kontakt steht; wobei die wärmeleitende Platte aus Materialien hergestellt sein kann, die ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff-(MMC – Metal Matrix Composite)-Material mit einem Füllgehalt derart umfassen, daß die Wärmeausdehnung der wärmeleitenden Platte unter der von Kupfer liegt, das eine Wärmeausdehnung von 17 ppm/K (= 17 μm/m·K) aufweist.
  • Alternativ wird eine Anordnung zum Kühlen eines Leistungshalbleitermoduls bereitgestellt, wobei das Leistungshalbleitermodul ein eine Keramikplatte umfassendes Substrat aufweist. Die Anordnung kann einen Behälter für den Eintritt eines Kühlmittels umfassen, umfassend eine wärmeleitende Platte; wobei die wärmeleitende Platte zwei Seiten aufweisen kann, eine mit der Keramikplatte des Substrats verbundene Seite und die andere Seite, die mit dem Kühlmittel in Kontakt steht; wobei die wärmeleitende Platte aus Materialien hergestellt sein kann, die ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff-(MMC – Metal Matrix Composite)-Material mit einem Füllgehalt derart umfassen, daß die Wärmeausdehnung der wärmelei tenden Platte unter der von Kupfer liegt, das eine Wärmeausdehnung von 17 ppm/K (= 17 μm/m·K) aufweist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorliegende Erfindung läßt sich unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen und die folgende Beschreibung besser verstehen. Die Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet, wobei die Betonung statt dessen darauf liegt, die Prinzipien der Erfindung zu veranschaulichen. Zudem bezeichnen in den Figuren gleiche Referenzzahlen entsprechende Teile. Es zeigen:
  • 1 eine Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls nach dem Stand der Technik mit einer auf einem Kühlkörper montierten Basisplatte, wobei wärmeleitendes Fett zwischen der Basisplatte und dem Kühlkörper angeordnet ist;
  • 2 eine Querschnittsansicht eines ersten Beispiels einer Anordnung zum Kühlen eines Leistungshalbleitermoduls, umfassend ein Substrat mit Metallisierung auf beiden Seiten;
  • 3 eine Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels einer Anordnung zum Kühlen eines Leistungshalbleitermoduls, umfassend ein Substrat mit Metallisierung nur auf einer Seite;
  • 4 eine Querschnittsansicht einer weiteren Anordnung zum Kühlen eines Leistungshalbleitermoduls gemäß einer Ausführungsform, wobei das Substrat über eine Niedrigtemperatur-Fügetechnologie (LTJT – Low Temperature Joi ning Technology) mit der wärmeleitenden Platte verbunden ist;
  • 5 eine dreidimensionale Ansicht eines einzelnen oder mehrerer mit der wärmeleitenden Platte zu verbindender Bänder, um als Kühlrippen zu wirken;
  • 6 eine Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels einer Anordnung zum Kühlen eines Leistungshalbleitermoduls, umfassend Abstandshalter zum Definieren der Dicke der Lötschichtverbindungen;
  • 7 eine dreidimensionale Ansicht eines Mehrsegment-Kühlkörpers, wobei jedes Segment eine wärmeleitende Platte umfaßt und die mehreren Platten durch Kanäle dazwischen miteinander verbunden sind;
  • 8 eine Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels einer Anordnung zum Kühlen eines Leistungshalbleitermoduls, umfassend eine aus einem Aluminium-Graphit-(AlC [Aluminium-Kohlenstoff])-MMC hergestellte wärmeleitende Platte;
  • 9 eine dreidimensionale Ansicht einer MMC-Platte mit Kühlrippen als integralen Teil und
  • 10 eine dreidimensionale Ansicht eines Kühlers mit selektivem Oberflächenfinish zum Verbinden von Substraten.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Wie bereits oben erörtert, ist bei dem in 1 gezeigten Leistungshalbleitermodul nach dem Stand der Technik die Basisplatte 18 mit dem isolierenden Substrat und dem Kühlkörper 19 gekoppelt. Genauer gesagt koppeln die Basisplatte 18 und wärmeleitendes Fett mit der unteren Metallisierung 16 des Substrats über eine Fügestruktur 17, wobei die Fügestruktur beispielsweise Löten ist. Das Substrat 14 ist eine aus Keramik wie etwa Al2O3, AlN, Si3N4 ausgebildete Platte. Die Metallisierung 15 und 16, aus Kupfer oder Aluminium oder irgendwelchen anderen Arten von üblicherweise verwendetem Material hergestellt, ist an beide Seiten der Keramikplatte durch eines von beliebigen bekannten Verfahren gekoppelt, wie etwa das DCB-, AMB- oder DAB-Verfahren. Außerdem kann das Substrat auch plattiert sein, z.B. Ni-, Ni/Au- oder NiAg-plattiert. Die Basisplatte kann aus Kupfer, AlSiC, MMC oder einem beliebigen anderen bekannten Material hergestellt sein. Die Basisplatte ist auf dem Kühlkörper montiert, der beispielsweise aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen hergestellt ist.
  • Für Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich wie etwa dem obenerwähnten Hybridfahrzeug kann eine effektive Möglichkeit zum Kühlen des Moduls darin bestehen, daß sich der Verbrennungsmotor und ein Leistungshalbleitermodul das Kühlmittel teilen und der an der Basisplatte montierte Kühlkörper durch einen flüssigkeitsgekühlten Kühler ersetzt wird und das Kühlmittel des Verbrennungsmotors durch diesen Kühler läuft. Möglicherweise wird jedoch die Materialeinschränkung bezüglich der Flüssigkeit und des der Flüssigkeit innerhalb des Kühlsystems ausgesetzten anderen Materials zu berücksichtigen sein. Da Aluminium bereits Teil des Verbrennungsmotors und des Getriebes ist und gegenüber Korrosion sehr beständig ist, kann die bevorzugte Materialwahl für den Kühler deshalb Aluminium oder seine Legierungen sein.
  • Da Aluminium einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten (26 ppm/K, höher als der von Kupfer) aufweist, würde die Wechselbelastungsfähigkeit der Fügeschicht zwischen einem Kupfer-Keramiksubstrat/Kupfermetallisierung und einem Aluminiumkühlkörper nicht zufriedenstellend sein.
  • 2 ist eine Anordnung zum Kühlen eines Leistungshalbleitermoduls gemäß einer Ausführungsform. Der Einfachheit halber sind Anschlüsse, Kapselung und Gehäuse des Leistungshalbleitermoduls nicht gezeigt. Signifikant verschieden von dem Leistungshalbleitermodul 10 nach dem Stand der Technik von 1 ist, daß die darin erscheinende Basisplatte 18 durch einen Kühler 29 ersetzt werden kann. Der Kühler 29 kann vom Behältertyp für den Eintritt eines Kühlmittels sein. Der Kühler 29 kann mindestens eine wärmeleitende Platte 28 umfassen, die zwei Seiten aufweist. Eine Seite der wärmeleitenden Platte 28 kann mit der unteren Metallisierung 27 eines Substrats 29 eines Leistungshalbleitermoduls 20 über eine Verbindung 27 verbunden sein, mit unten zu erörternden Fügetechniken. Die andere Seite kann mit dem Kühlmittel in dem Kühlkörper in Kontakt stehen. Diese wärmeleitende Platte kann ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff-(MMC – Metal Matrix Composite)-Material umfassen (oder besteht wie in dem vorliegenden Beispiel daraus) mit einem Füllgehalt, der zu einer geringen Wärmeausdehnung führt, geringer als die von Kupfer, und möglicherweise höher als die von allgemein verwendeten MMC-Materialien mit einem hohen Füllgehalt. Der Bereich der Wärmeausdehnung der Platte kann unter 17 ppm/K liegen und größer als 8 ppm/K sein oder liegt z.B. zwischen 10 und 12 ppm/K, zwischen 13 und 16 ppm/K oder zwischen 11 und 13 ppm/K.
  • Der Behälter kann einen oder mehrere Einlässe oder einen oder mehrere Auslässe für das Kühlmittel aufweisen.
  • Bei dem Kühlmittel kann es sich um beliebige bekannte Arten wie etwa Wasser und zu dem oben umrissenen Zweck üblicherweise um Wasser, das Additive (z.B. Glykol) enthält, um Einfrieren unter 0°C zu verhindern, handeln. Das flüssige Kühlmittel kann von dem Kühlsystem kommen und/oder dorthin fließen, um den Verbrennungsmotor und/oder das Getriebe eines Kraftfahrzeugs zu kühlen. Das Substrat 24 ist wieder eine aus Keramik wie etwa Al2O3, AlN, Si3N4 ausgebildete Platte. Metallisierungen 25 und 26 können aus Kupfer oder Aluminium hergestellt sein, oder irgendeine andere Art von üblicherweise verwendetem Material wird auf beide Seiten der Keramikplatte durch ein beliebiges von bekannten Verfahren wie etwa DCB-, AMB- oder DAB-Verfahren gebondet. Außerdem kann das Substrat auch Ni-, Ni/Au- oder NiAg-plattiert sein.
  • 3 zeigt eine weitere Anordnung zum Kühlen eines Leistungshalbleitermoduls gemäß einer Ausführungsform. Diese Anordnung ist ähnlich der von 2 mit Ausnahme der unteren Metallisierung 26. Bei der Anordnung von 3 weist das Substrat keine an die Unterseite davon gebondete Metallisierung auf; somit kann die Unterseite der wärmeleitenden Platte 38 direkt mit der Keramikplatte 34 des Substrats verbunden werden. Die wärmeleitende Platte 38 kann mit einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff-(MMC)-Material mit einem Füllgehalt hergestellt sein, der zu einer geringen Wärmeausdehnung führt, niedriger als die von Kupfer.
  • Bei der in 2 und 3 gezeigten Kühlanordnung kann das Metallmatrix-Verbundwerkstoff-(MMC)-Material der wärmeleitenden Platte 28 Aluminium oder Aluminiumlegierung als Matrix verwenden. Die Matrix kann mit einem Füllmaterial wie etwa SiC-Pulver, Kohlenstoffgraphit, Kohlenstoffnanoröhren oder pyroelektrischen Gra phiten usw. oder einer Mischung aus beliebigen dieser Arten gefüllt sein. Die Wärmeausdehnung von solchen Typen von Füllmaterial mißt einige wenige μm/m·K (ppm/K), was es gestattet, den Wärmeausdehnungskoeffizienten des MMC auf einen beliebigen Wert zwischen 8 ppm/K und dem des Matrixmetalls, d.h. Al oder Cu, durch das Füllverhältnis abzustimmen. In einigen Fällen kann die Matrix durch 10% bis 50% (Volumenprozent) solchen Füllmaterials gefüllt sein. Das Füllverhältnis kann auch 30% bis 40% (Volumenprozent) betragen. Durch homogenes Mischen dieses Metallmatrix-Verbundwerkstoff-Materials wird der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE – Coefficient of Thermal Expansion) des Metallmatrix-Verbundwerkstoff-Materials homogen. Beispielsweise kann der jeweilige Wärmeausdehnungskoeffizient im Bereich von 11 bis 13 μm/m·K liegen oder auf 12 μm/m·K eingestellt sein. Die Dicke der wärmeleitenden Platte kann je nach den in das Gesamtleistungshalbleitermodul zu integrierenden Funktionen variieren. Bei einigen Ausführungsformen kann diese Dicke im Bereich von 1 mm bis 20 mm liegen. Die aus dieser Art hergestellte wärmeleitende Platte, d.h. mit diesem Bereich an niedrigem Füllgehalt an Metallmatrix-Verbundwerkstoff-Material, kann durch eine Art von „Spritzguß" hergestellt werden: Flüssiges Metall oder flüssige Metallegierung (wie etwa flüssiges Aluminium oder flüssige Aluminiumlegierung) und Pulver (SiC, Kohlenstoffgraphit, Kohlenstoffnanoröhren, pyroelektrische Graphite usw.) können in eine Kammer eingespritzt werden, um eine gewünschte Gestalt auszubilden. Wegen der an diesem Prozeß beteiligten begrenzten Schritte und der hohen Prozeßgeschwindigkeit können Herstellungskosten im Vergleich zum Herstellen von MMC-Basisplatten nach dem Stand der Technik, d.h. allgemein verwendete MMC-Materialien mit einem hohen Füllgehalt, signifikant reduziert werden.
  • Wie oben erörtert kann im Hinblick auf Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich Aluminium oder Aluminiumlegierung ein geeignetes Material für den Kühlkörper sein, wenngleich sich auch andere bekannte Materialien anwenden lassen. Der Kühlkörper kann innerhalb des Behälters mit der Unterseite der wärmeleitenden Platte verbundene Rippenstrukturen enthalten. Aluminium oder Aluminiumlegierung kann gestanzt und dann zu einem einzelnen Band 51 oder mehreren gewellten Bändern 52 oder einer einzigen Mäander 53 oder einer Mehrmäanderstruktur 54 ausgebildet werden, wie in 5 gezeigt, wenngleich sich auch andere Gestalten oder Konfigurationen für die Kühlrippen anwenden lassen. Auch der Behälter kann aus Aluminium oder Aluminiumlegierung hergestellt sein. Beispielsweise kann der Behälter aus einem dünnen Aluminium- oder Aluminiumlegierungsblech ausgebildet sein. Deshalb können vorteilhafterweise die wärmeleitende Platte, die Rippenstrukturen und der Behälter zweckmäßigerweise durch eine Aluminiumhartlöttechnik miteinander verbunden werden.
  • Die Oberseite der wärmeleitenden Platte kann als ein Träger für das Substrat des Leistungshalbleitermoduls und andere Teile auf dem Modul dienen. Diese Oberseite kann durch verschiedene Techniken mit dem Substrat des Leistungshalbleitermoduls verbunden sein. Einige der Techniken sind unten beschrieben.
  • Eine Fügetechnik zum Gestatten einer großen Anzahl thermischer Zyklen ist Kleben durch wärmeleitende Kleber mit einer Wärmeleitfähigkeit von über 1W/mK, 2W/mK oder höher als 5W/mK. Der Kleber kann einer aus den Silikonklebern oder Epoxidharzen oder ein anderer mit Glastemperaturen über 140°C sein. Bei der Anordnung von 3 wird die bloße Keramik an die wärmeleitende Platte des Kühlkörpers geklebt. Deshalb ist keine wei tere Plattierung oder Oberflächenbehandlung des Kühlkörpers erforderlich.
  • Eine weitere Fügetechnik ist das Löten. Für eine Lötverbindung kann bleifreies Lot verwendet werden. Eine Legierung SnAG (3.5), SnAG (20) oder beispielsweise ein beliebiges der Materialien in der Tabelle in US 4,170,472A1 ist möglich. Diese Arten von Lot führen zu einer größten Lebensdauer für das Lot bezüglich eines thermischen Wechselspiels. Die zu lötenden Aluminiumoberflächen können mit Ni, Cu, Ni/Au oder einem beliebigen anderen Plattierungsmaterial plattiert sein, das für das Löten üblich ist. Die Substratunterseite kann mit der Keramik gebondetes blankes Kupfer aufweisen. Eine Aktivierung kann vor dem Löten erfolgen. Das Löten kann mit einem Vakuumlötprozeß durchgeführt werden. Eine Aktivierung der zu lötenden Oberflächen kann entweder durch Aktivieren der Atmosphäre oder durch Flußmittel erfolgen.
  • Noch eine weitere Technik zum Verbinden des oder der Substrate mit dem Kühler ist die sogenannte Niedertemperaturfügetechnik (LTJT – Low Temperature Joining Technique), wie in 4 dargestellt. LTJT ist eine Sintertechnik unter Einsatz von Silberpaste und erfolgt normalerweise bei 230°C und unter einem Druck von etwa 30 Mpa. Um ein Verbinden 47 durch LTJT zu erleichtern, kann ein Kühler 49 mit Ni-Au oder Cu plattiert sein. Ein Substrat 46 weist beispielsweise entweder die blanke Ni-Au- oder Cu-Metallisierung oder eine Silberplattierung (Ag) auf. Wenn LTJT zum Verbinden des oder der Substrate und des Kühlers 49 verwendet wird, kann auch das Substrat 46 zusammen mit Leistungshalbleiterchips 42 und fakultativ zusammen mit einem Metallblech 41 (beispielsweise Kupfer) auf den Chips 42 verbunden werden. Auf diese Weise würde der ganze Stapel aus Leis tungshalbleitermodulen 40 in einem Fügeprozeß fertiggestellt werden.
  • Ein anderer Typ des LTJT-Prozesses ist das Sintern bei einem Temperaturbereich von 150°C bis 200°C, was die Fügetemperatur so absenkt, daß sie innerhalb des Arbeitsbereichs des Leistungshalbleitermoduls oder nahe dabei liegt. Etwa bei dieser Fügetemperatur beträgt die thermisch-mechanische Beanspruchung innerhalb der Fügeschichten Null bezüglich einer Fehlanpassung bei den Wärmeausdehnungskoeffizienten. Deshalb führt eine derartige Niedertemperaturfügetechnik zu einer weiteren Beanspruchungsreduzierung während des Betriebs.
  • Für die Anwendung der LTJT-Fügetechnik können Stützstrukturen wie etwa eine Kammstruktur in die Innenseite des Kühlers integriert werden, um zu unterstützen, dem Druck des Sinterprozesses standzuhalten.
  • Eine weitere Fügetechnik kann eine mit speziellen Hochtemperaturloten sein, deren Schmelzpunkt 400°C nach der Montage übersteigt.
  • Das Plattieren einer Substratoberfläche kann ebenfalls über Ni, Ni-Au oder andere übliche Lotgrenzflächen, z.B. Cu, erfolgen. Das Plattieren kann selektiv nur an dem zu lötenden Bereich oder vollständig außerhalb des Kühlkörpers erfolgen. Selektiv gesputterte oder aufgedampfte Metallisierung wie CrNiAg kann ebenfalls eine Technik zum Erzeugen der lötbaren Oberfläche sein. Analoge Techniken eignen sich zum Herstellen einer Oberfläche für die LTJT oder das Legieren.
  • Zusätzlich zu der aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff hergestellten wärmeleitenden Platte und den oben beschriebenen Fügeverfahren können viele Techniken praktiziert werden, um die Wärmeübertragung von den Leistungshalbleiterchips auf den Kühlkörper und/oder andere Leistungs- und Herstellungsfragen des Leistungshalbleitermoduls weiter zu verbessern.
  • Die Substrate können von dem DCB-, AMB-, DAB-Typ und die Keramiken Al2O3, Si3N4, AlN oder dergleichen sein. Die Keramiken können fakultative Additive für höhere mechanische Festigkeit und Elastizität aufweisen. Substrate von den Typen mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten werden bevorzugt verwendet, d.h. eine Keramikdicke so niedrig wie möglich unter dem Gesichtspunkt der Isolierungserfordernis (bis herunter zu 0,2 mm), und eine Kupferdicke so hoch wie möglich unter dem Gesichtspunkt thermo-mechanischer Beanspruchung (bis zu 1 mm), in der Regel von 0,3 mm bis 0,6 mm.
  • Substratecken oder Ecken des Bodenmetalls auf dem Substrat können abgefast oder abgerundet sein, um in den Ecken der Substrate und der Fügeschichten die thermomechanische Beanspruchung zu reduzieren.
  • Unter Bezugnahme auf 6 können Abstandshalter 61 in der Lotschicht durch Drahthöcker implementiert sein. Beispielsweise können Höcker auf der Oberseite einer wärmeleitenden Platte 68 eines Kühlers 69 hergestellt sein. Höcker können während des Herstellungsprozesses der wärmeleitenden Platte oder bei dem Hartlötprozeß mit der wärmeleitenden Platte integriert werden. Die integrierten Höcker helfen, während der Nachbehandlung (Plattieren, Sputtern usw.) des Kühlers für das Löten eine lötbare Oberfläche zu erhalten.
  • Der Kühler kann innen eine Kühlstruktur aufweisen um, das Kühlmittel von dem Einlaß zu den Rippenstrukturen, zu der wärmeleitenden Platte und zu dem Auslaß zu ver teilen, um an der wärmeleitenden Platte eine homogene Temperaturverteilung zu erhalten. Der Kühler kann zusätzliche Führungswände innerhalb der Kühlstruktur für eine optimale Verteilung des Kühlmittels aufweisen.
  • Unter Bezugnahme auf 7 kann ein Kühler weiterhin mehrere derartige wärmeleitende Platten 781 und 782 umfassen, wobei jede Platte ihren individuellen Behälter darunter aufweist; die wärmeleitenden Platten können zusammenschaltende Kanäle aufweisen, wodurch ein Mehrsegmentkühler entsteht. Jedes Segment kann eine Orientierung aufweisen, die von der der anderen Segmente verschieden ist, um mit mehrfachsegmentierten Leistungsmodulen mit unterschiedlichen Orientierungen innerhalb des dreidimensionalen Raums kompatibel zu sein. Die zusammenschaltenden Kanäle zum Verteilen von Kühlmittel zu verschiedenen Segmenten können so ausgelegt sein, daß sie für jedes Segment eine ähnliche Flüssigkeitseinlaßtemperatur aufweisen.
  • Ein Kühlkörper oder der Mehrsegmentkühlkörper kann integrierte Mittel für die Montage der ganzen Module in einen Wagen, das Getriebe oder für die Leistungselektronik eines Hybridfahrzeugs geeignete Plätze aufweisen. Solche Mittel können lediglich Befestigungslöcher zum Anschrauben des Kühlers an einen reservierten Ort sein. Kühlmittelverbindungen des Kühlers mit dem Kühlsystem des Wagens, zum Beispiel dem Kühlsystem des Verbrennungsmotors, können identisch mit üblichen Paßstücken in dem Fahrzeug sein. Schläuche können als die Schnittstelle dienen.
  • Rippenstrukturen, die an der Innenseite des Kühlers angebracht sind (oder mit dieser verbunden sind), können verwendet werden, da sie in vielen Fällen die Kühlleistung signifikant verbessern können. Rippen können an der wärmeleitenden Platte angebracht sein, um die Oberfläche zu vergrößern und als solche mehr Wärme von der Platte zu ziehen und sie in das Kühlmittel zu verteilen. Der Querschnitt und die Dichte der Rippen sind für eine Wärmeübertragung von der MMC-Platte in das Kühlmittel optimiert. Aluminium- oder Aluminiumlegierungsrippen können an dem Aluminium- oder Aluminiumlegierungsbehälter durch eine Aluminiumhartlöttechnik angebracht sein, was bei der Herstellung von Wärmetauschern für Kraftfahrzeuge eine übliche Praxis darstellt. Die Implementierung von Rippen kann auch Teil des Formprozesses der wärmeleitenden Platte sein, bestimmt durch die Gestalt des Formwerkzeugs.
  • Rippen können aus gestanztem und gebogenem Aluminium oder gestanzter und gebogener Aluminiumlegierung hergestellt werden und können eine beliebige bekannte Form annehmen, wobei gewellte Bänder wie in 5 gezeigt ein Beispiel sind. Entweder ein einzelnes Band 51 oder ein Stapel (mehrere) Bänder 52 ist möglich. Die gewählte Struktur der Bänder und die dünne Wand des Behälters sowie die Geometrie davon können sorgfältig gewellt werden, um Raum zuzulassen, um die Differenz bei der Dehnung (Fehlanpassung beim Wärmeausdehnungskoeffizienten) zwischen den Bändern, dem Behälter und der MMC-Platte zu berücksichtigen. Andere Typen von Rippenstrukturen können aus Aluminium oder Aluminiumlegierung gestanzt und durch Aluminiumhartlöten in den Kühler integriert werden. Beispielsweise ermöglichen Bänder mit einer 90°-Drehung und mehrere parallel orientierte Bänder, daß das Kühlmittel innerhalb der durch die Bänder ausgebildeten Kanäle einem schlangenförmigen Weg folgt, wie in 5 gezeigt. Auch kleine Zylinder oder andere dreidimensionale Stücke können als Rippen verwendet werden.
  • Bei einem weiteren, in den Zeichnungen nicht gezeigten Beispiel, einer als eine wärmeleitende Platte des Kühlers dienenden Aluminium-Graphit-MMC-(AlC)-Platte wird AlC verwendet, das ein weiches Material ist und sich leicht biegt, wenn aufgrund der verbleibenden Fehlanpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Substrat und der wärmeleitenden Platte des Kühlkörpers eine thermo-mechanische Beanspruchung erzeugt wird.
  • 8 zeigt einen weiteren Kühler mit einer leitenden Platte 83. Ein Behälter, z.B. 29, wird mit der wärmeleitenden Platte 83 entlang einer Mäanderlinie 81 verbunden. Referenz 82 gibt die Grenze des Kühlmittels an. Rippen vom Bandtyp innerhalb des Kühlkörpers und des Behälters sind selbst flexible Strukturen. Diese Faktoren bedeuten, daß sich die ganze Bodenstruktur (Behälter und Rippen) des Leistungshalbleitermoduls unterschiedlich entsprechend ihrer Differenz bei der Wärmeausdehnung dehnen kann, da keine gerade lange Fügelinie zwischen den verschiedenen Materialien vorliegt; dadurch wird die thermo-mechanische Beanspruchung reduziert.
  • 9 zeigt in einer dreidimensionalen Ansicht eine MMC-Platte 91 mit Kühlrippen 92 als integralem Teil. Bei diesem Beispiel weisen die Rippen die Form rechteckiger Röhren oder einer Rhombusform auf, können aber jede andere bekannte Form aufweisen.
  • 10 ist eine dreidimensionale Ansicht eines Kühlers 101 mit selektivem Oberflächenfinish 102 zum Verbinden mehrerer Substrate. Das selektive Oberflächenfinish ist an eine MMC-Platte 103 unter den jeweiligen Substraten angeordnet. Der Kühler 101 ist ein Behälter, der eine Kammer mit einem Kühlmitteleinlaß 104 und einem Kühlmittelauslaß 105 definiert.
  • Wie aus dem oben Gesagten ersichtlich ist, kann die vorliegende Erfindung mehrere Vorteile liefern. Zuerst liefert das Metallmatrix-Verbundwerkstoff-(MMC)-Material zum Herstellen der koppelnden Platte (wärmeleitende Platte) der Anordnung einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Zweitens kann die aus derartigem Metallmatrix-Verbundwerkstoff-(MMC)-Material hergestellte wärmeleitende Platte durch Prozesse hergestellt werden, die schneller und weniger aufwendig sind als Herstellungsverfahren nach dem Stand der Technik für Leistungsmodulbasisplatten. Drittens ist im Hinblick auf Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich Aluminium oder Aluminiumlegierung ein bevorzugtes Material für die Anordnung. Wenn die Oberfläche der wärmeleitenden Platte, die Rippenstrukturen und der Behälter aus Aluminium oder Aluminiumlegierung hergestellt sind, können sie durch eine Aluminiumhartlöttechnik, die leicht zu handhaben ist, miteinander verbunden werden.
  • Bekannte Typen von Metallmatrix-Verbundwerkstoff sind beispielsweise AlSiC, CuMo, CuW, CuSiC und AlC. Der einen niedrigen Füllgehalt aufweisende MMC weist einen reduzierten Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) von etwa 12 μm/m·K (ppm/K) auf und kann deshalb die Fehlanpassung bei dem Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Substrat und der wärmeleitenden Platte unter den eines Moduls mit Kupferbasisplatte reduzieren, bietet aber dabei Aluminium (Aluminiumlegierung) als Kühlermaterial. Somit kann thermo-mechanische Beanspruchung in der Fügeschicht zwischen dem Substrat und der Basisplatte ausreichend reduziert werden, eine ausreichend hohe Anzahl an Temperaturzyklen kann erzielt werden und Anforderungen aus dem Kraftfahrzeugbereich hin sichtlich Kühlkörpermaterial werden für das Leistungshalbleitermodul erfüllt.

Claims (54)

  1. Anordnung zum Kühlen eines Leistungshalbleitermoduls, wobei das Leistungshalbleitermodul ein eine Keramikplatte und eine Metallisierung darauf umfassendes Substrat aufweist, wobei die Anordnung folgendes umfaßt: einen Behälter für den Eintritt eines Kühlmittels, umfassend eine wärmeleitende Platte; wobei die wärmeleitende Platte zwei Seiten aufweist, eine mit der Metallisierung des Substrats verbundene Seite und die andere Seite, die mit dem Kühlmittel in Kontakt steht; wobei die wärmeleitende Platte aus Materialien hergestellt ist, die ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff-(MMC – Metal Matrix Composite)-Material mit einem Füllgehalt derart umfassen, daß die Wärmeausdehnung der wärmeleitenden Platte unter 17 ppm/K liegt.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Metallisierung mindestens eines der Materialien aus der Gruppe von Kupfer und Aluminium umfaßt.
  3. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Keramikplatte mindestens eines der Materialien aus der Gruppe von Al2O3, AlN und Si3N4 umfaßt.
  4. Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Behälter weiterhin mindestens einen Einlaß und einen Auslaß für das Kühlmittel umfaßt.
  5. Anordnung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine oder mehrere Kühlrippen, Bänder oder Mäanderstrukturen, die mit der anderen Seite der wärmeleitenden Platte verbunden sind.
  6. Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Metallmatrix-Verbundwerkstoff-(MMC)-Material Aluminium oder eine Aluminiumlegierung als Matrix umfaßt.
  7. Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE – Coefficient of Thermal Expansion) des Metallmatrix-Verbundwerkstoff-(MMC)- Materials im Bereich von 11 bis 13 ppm/K liegt.
  8. Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE – Coefficient of Thermal Expansion) des Metallmatrix-Verbundwerkstoff-(MMC)- Materials im Bereich von 13 bis 16 ppm/K liegt.
  9. Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Füllgehalt des Metallmatrix-Verbundwerkstoff-(MMC)-Materials mindestens eines von SiC, Kohlenstoffgraphit, Kohlenstoffnanoröhren und pyroelektrischem Graphit ist.
  10. Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Metallmatrix-Verbundwerkstoff-(MMC)-Material mit 10 Vol.-% bis 50 Vol.-% des mindestens einen von SiC, Kohlenstoffgraphit, Kohlenstoffnanoröhren und pyroelektrischem Graphit gefüllt ist.
  11. Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Metallmatrix-Verbundwerkstoff-(MMC)-Material mit 30 Vol.-% bis 40 Vol.-% des mindestens einen von SiC, Kohlenstoffgraphit, Kohlenstoffnanoröhren und pyroelektrischem Graphit gefüllt ist.
  12. Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Füllgehalt des Metallmatrix-Verbundwerkstoff-(MMC)-Materials homogen gemischt ist.
  13. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die wärmeleitende Platte eine Dicke von 1 mm bis 20 mm aufweist.
  14. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche der einen Seite der wärmeleitenden Platte Aluminium, Kupfer beziehungsweise ihre Legierungen ist.
  15. Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Behälter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt ist.
  16. Anordnung nach Anspruch 5, wobei die Kühlrippen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt sind.
  17. Anordnung nach Anspruch 14, wobei der Behälter und die Kühlrippen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt sind und die wärmeleitende Platte, die Kühlrippen und der Behälter durch Aluminiumhartlöten verbunden sind.
  18. Anordnung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend mehrere der wärmeleitenden Platten, wobei jede Platte einen jeweiligen, mit der anderen Seite davon verbundenen Behälter aufweist und die Anordnung weiterhin das Zusammenschalten von Kanälen zwischen den Behältern umfaßt.
  19. Anordnung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend das mit der einen Seite der wärmeleitenden Platte mit wärmeleitenden Klebern mit einer Wärmeleitfähigkeit über 1 W/mK verbundene Substrat.
  20. Anordnung nach Anspruch 19, wobei das Substrat mit wärmeleitenden Klebern mit einer Wärmeleitfähig keit höher als 2 W/mK an eine Seite der wärmeleitenden Platte geklebt ist.
  21. Anordnung nach Anspruch 19, wobei das Substrat mit wärmeleitenden Klebern mit einer Wärmeleitfähigkeit höher als 5 W/mK an eine Seite der wärmeleitenden Platte geklebt ist.
  22. Anordnung nach Anspruch 19, wobei das Substrat mit wärmeleitenden Klebern aus Siliziumklebern oder Epoxidharzen oder einem anderen mit Glastemperaturen über 140 Grad Celsius an eine Seite der wärmeleitenden Platte geklebt ist.
  23. Anordnung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend das mit einer Seite der wärmeleitenden Platte durch eine Sintertechnik unter Einsatz von Silberpaste verbundene Substrat und durchgeführt bei einer Temperatur zwischen 200 und 260 Grad Celsius und einem Druck zwischen 25 und 35 MPa.
  24. Anordnung nach Anspruch 19, wobei das Substrat mit wärmeleitenden Klebern mit einer Wärmeleitfähigkeit über 5 W/mK an eine Seite der wärmeleitenden Platte geklebt ist und wobei das Substrat durch die bei einem Bereich von 150 Grad Celsius bis 200 Grad Celsius durchgeführte Sintertechnik mit einer Seite der wärmeleitenden Platte verbunden ist.
  25. Anordnung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend das mit einer Seite der wärmeleitenden Platte durch Hochtemperaturlote, deren Schmelzpunkt nach der Montage 400 Grad Celsius übersteigt, verbundene Substrat.
  26. Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Kühler an das Kühlsystem eines Hybridelektrofahrzeugs angeschlossen werden kann.
  27. Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Leistungshalbleitermodul Leistungselektronikschaltungen umfaßt, die einen beliebigen aus der Gruppe von Gleichrichterbrücke, Gleichstrom-Zuleitung, IGBT-Inverter, Treiber, Steuerschaltungen, Erfassungseinheit, Halbbrückeninverter, Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler (AC-DC), DC-AC-Wandler, Matrixwandler, bestehend aus bidirektionalen Hybridschaltern, enthält.
  28. Anordnung zum Kühlen eines Leistungshalbleitermoduls, wobei das Leistungshalbleitermodul ein eine Keramikplatte umfassendes Substrat aufweist, wobei die Anordnung folgendes umfaßt: einen Behälter für den Eintritt eines Kühlmittels, umfassend eine wärmeleitende Platte; wobei die wärmeleitende Platte zwei Seiten aufweist, eine mit der Keramikplatte des Substrats verbundene Seite und die andere Seite, die mit dem Kühlmittel in Kontakt steht; wobei die wärmeleitende Platte aus Materialien hergestellt ist, die ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff-(MMC – Metal Matrix Composite)-Material mit einem Füllgehalt derart umfassen, daß die Wärmeausdehnung der wärmeleitenden Platte unter 17 ppm/K liegt.
  29. Anordnung nach Anspruch 28, wobei die Metallisierung mindestens eines der Materialien aus der Gruppe von Kupfer und Aluminium umfaßt.
  30. Anordnung nach Anspruch 28, wobei die Keramikplatte mindestens eines der Materialien aus der Gruppe von Al2O3, AlN und Si3N4 umfaßt.
  31. Anordnung nach Anspruch 28, wobei der Behälter weiterhin mindestens einen Einlaß und einen Auslaß für das Kühlmittel umfaßt.
  32. Anordnung nach Anspruch 28, weiterhin umfassend eine oder mehrere Kühlrippen, Bänder oder Mäanderstrukturen, die mit der anderen Seite der wärmeleitenden Platte verbunden sind.
  33. Anordnung nach Anspruch 28, wobei das Metallmatrix-Verbundwerkstoff-(MMC)-Material Aluminium oder eine Aluminiumlegierung als Matrix umfaßt.
  34. Anordnung nach Anspruch 28, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE – Coefficient of Thermal Expansion) des Metallmatrix-Verbundwerkstoff-(MMC)- Materials im Bereich von 11 bis 13 ppm/K liegt.
  35. Anordnung nach Anspruch 28, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE – Coefficient of Thermal Expansion) des Metallmatrix-Verbundwerkstoff-(MMC)-Materials im Bereich von 13 bis 16 ppm/K liegt.
  36. Anordnung nach Anspruch 28, wobei der Füllgehalt des Metallmatrix-Verbundwerkstoff-(MMC)-Materials mindestens eines von SiC, Kohlenstoffgraphit, Kohlenstoffnanoröhren und pyroelektrischem Graphit ist.
  37. Anordnung nach Anspruch 28, wobei das Metallmatrix-Verbundwerkstoff-(MMC)-Material mit 10 Vol.-% bis 50 Vol.-% des mindestens einen von SiC, Koh lenstoffgraphit, Kohlenstoffnanoröhren und pyroelektrischem Graphit gefüllt ist.
  38. Anordnung nach Anspruch 28, wobei das Metallmatrix-Verbundwerkstoff-(MMC)-Material mit 30 Vol.-% bis 40 Vol.-% des mindestens einen von SiC, Kohlenstoffgraphit, Kohlenstoffnanoröhren und pyroelektrischem Graphit gefüllt ist.
  39. Anordnung nach Anspruch 28, wobei der Füllgehalt des Metallmatrix-Verbundwerkstoff-(MMC)-Materials homogen gemischt ist.
  40. Anordnung nach Anspruch 28, wobei die wärmeleitende Platte eine Dicke von 1 mm bis 20 mm aufweist.
  41. Anordnung nach Anspruch 28, wobei die Oberfläche der einen Seite der wärmeleitenden Platte Aluminium, Kupfer beziehungsweise ihre Legierungen ist.
  42. Anordnung nach Anspruch 28, wobei der Behälter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt ist.
  43. Anordnung nach Anspruch 32, wobei die Kühlrippen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt sind.
  44. Anordnung nach Anspruch 41, wobei der Behälter und die Kühlrippen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt sind und die wärmeleitende Platte, die Kühlrippen und der Behälter durch Aluminiumhartlöten verbunden sind.
  45. Anordnung nach Anspruch 28, weiterhin umfassend mehrere der wärmeleitenden Platten, wobei jede Platte einen jeweiligen, mit der anderen Seite davon verbundenen Behälter aufweist und die Anordnung weiterhin das Zusammenschalten von Kanälen zwischen den Behältern umfaßt.
  46. Anordnung nach Anspruch 28, weiterhin umfassend das mit der einen Seite der wärmeleitenden Platte mit wärmeleitenden Klebern mit einer Wärmeleitfähigkeit über 1 W/mK verbundene Substrat.
  47. Anordnung nach Anspruch 46, wobei das Substrat mit wärmeleitenden Klebern mit einer Wärmeleitfähigkeit höher als 2 W/mK an eine Seite der wärmeleitenden Platte geklebt ist.
  48. Anordnung nach Anspruch 46, wobei das Substrat mit wärmeleitenden Klebern mit einer Wärmeleitfähigkeit höher als 5 W/mK an eine Seite der wärmeleitenden Platte geklebt ist.
  49. Anordnung nach Anspruch 46, wobei das Substrat mit wärmeleitenden Klebern aus Siliziumklebern oder Epoxidharzen oder einem anderen mit Glastemperaturen über 140 Grad Celsius an eine Seite der wärmeleitenden Platte geklebt ist.
  50. Anordnung nach Anspruch 28, weiterhin umfassend das mit einer Seite der wärmeleitenden Platte durch eine Sintertechnik unter Einsatz von Silberpaste verbundene Substrat und durchgeführt bei einer Temperatur zwischen 200 und 260 Grad Celsius und einem Druck zwischen 25 und 35 MPa.
  51. Anordnung nach Anspruch 46, wobei das Substrat mit wärmeleitenden Klebern mit einer Wärmeleitfähigkeit über 5 W/mK an eine Seite der wärmeleitenden Platte geklebt ist und wobei das Substrat durch die bei einem Bereich von 150 Grad Celsius bis 200 Grad Celsius durchgeführte Sintertechnik mit einer Seite der wärmeleitenden Platte verbunden ist.
  52. Anordnung nach Anspruch 28, weiterhin umfassend das mit einer Seite der wärmeleitenden Platte durch Hochtemperaturlote, deren Schmelzpunkt nach der Montage 400 Grad Celsius übersteigt, verbundene Substrat.
  53. Anordnung nach Anspruch 28, wobei der Kühler an das Kühlsystem eines Hybridelektrofahrzeugs angeschlossen werden kann.
  54. Anordnung nach Anspruch 28, wobei das Leistungshalbleitermodul Leistungselektronikschaltungen umfaßt, die einen beliebigen aus der Gruppe von Gleichrichterbrücke, Gleichstrom-Zuleitung, IGBT-Inverter, Treiber, Steuerschaltungen, Erfassungseinheit, Halbbrückeninverter, Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler (AC-DC), DC-AC-Wandler, Matrixwandler, bestehend aus bidirektionalen Hybridschaltern, enthält.
DE102007046349A 2006-09-29 2007-09-27 Anordnung zum Kühlen eines Leistungshalbleitermoduls Active DE102007046349B4 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/536,843 2006-09-29
US11/536,843 US7755185B2 (en) 2006-09-29 2006-09-29 Arrangement for cooling a power semiconductor module

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102007046349A1 true DE102007046349A1 (de) 2008-04-10
DE102007046349B4 DE102007046349B4 (de) 2013-07-04

Family

ID=39154861

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102007046349A Active DE102007046349B4 (de) 2006-09-29 2007-09-27 Anordnung zum Kühlen eines Leistungshalbleitermoduls

Country Status (2)

Country Link
US (1) US7755185B2 (de)
DE (1) DE102007046349B4 (de)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2389057A1 (de) * 2010-05-20 2011-11-23 Behr GmbH & Co. KG Elektronikkühler und Verfahren zum Herstellen eines Elektronikkühlers
DE102011076774A1 (de) * 2011-05-31 2012-12-06 Continental Automotive Gmbh Baugruppe mit einem Träger und einem Kühlkörper
EP2337069A3 (de) * 2008-07-04 2013-10-09 Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki Halbleitervorrichtung
DE102021206698A1 (de) 2021-05-26 2022-12-01 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung eines kühlbaren Elektronikmoduls
WO2024056378A1 (de) * 2022-09-15 2024-03-21 Robert Bosch Gmbh Fluiddurchströmbarer kühler zum kühlen eines leistungsmoduls

Families Citing this family (44)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4848187B2 (ja) * 2006-01-17 2011-12-28 日立オートモティブシステムズ株式会社 電力変換装置
JP2009130060A (ja) * 2007-11-21 2009-06-11 Toyota Industries Corp 放熱装置
JP5070014B2 (ja) * 2007-11-21 2012-11-07 株式会社豊田自動織機 放熱装置
WO2009139472A1 (ja) 2008-05-16 2009-11-19 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板、パワーモジュール、及びパワーモジュール用基板の製造方法
US7898807B2 (en) * 2009-03-09 2011-03-01 General Electric Company Methods for making millichannel substrate, and cooling device and apparatus using the substrate
DE102009029577B3 (de) * 2009-09-18 2011-04-28 Infineon Technologies Ag Verfahren zur Herstellung eines hochtemperaturfesten Leistungshalbleitermoduls
FR2951047B1 (fr) * 2009-10-07 2011-12-09 Valeo Etudes Electroniques Module d'electronique de puissance et de procede de fabrication de ce module
US8520389B2 (en) * 2009-12-02 2013-08-27 Hamilton Sundstrand Corporation Power semiconductor module for wide temperature applications
JP5488619B2 (ja) * 2010-02-05 2014-05-14 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板及びパワーモジュール
JP5515947B2 (ja) * 2010-03-29 2014-06-11 株式会社豊田自動織機 冷却装置
US10531594B2 (en) 2010-07-28 2020-01-07 Wieland Microcool, Llc Method of producing a liquid cooled coldplate
US9795057B2 (en) 2010-07-28 2017-10-17 Wolverine Tube, Inc. Method of producing a liquid cooled coldplate
US20120026692A1 (en) 2010-07-28 2012-02-02 Wolverine Tube, Inc. Electronics substrate with enhanced direct bonded metal
US8587116B2 (en) * 2010-09-30 2013-11-19 Infineon Technologies Ag Semiconductor module comprising an insert
DE102011103746A1 (de) * 2011-05-31 2012-12-06 Ixys Semiconductor Gmbh Verfahren zum Fügen von Metall-Keramik-Substraten an Metallkörpern
JP5602095B2 (ja) * 2011-06-09 2014-10-08 三菱電機株式会社 半導体装置
US9666504B2 (en) * 2011-06-30 2017-05-30 Vestas Wind Systems A/S Heat sink for cooling of power semiconductor modules
WO2013033601A2 (en) 2011-09-02 2013-03-07 Wolverine Tube, Inc. Enhanced clad metal base plate
US8963321B2 (en) * 2011-09-12 2015-02-24 Infineon Technologies Ag Semiconductor device including cladded base plate
US8519532B2 (en) * 2011-09-12 2013-08-27 Infineon Technologies Ag Semiconductor device including cladded base plate
US9184108B2 (en) * 2011-12-08 2015-11-10 Oracle International Corporation Heat dissipation structure for an integrated circuit (IC) chip
EP2606996A1 (de) * 2011-12-23 2013-06-26 EPoS S.r.L. Verfahren zum Sinter von Metallmatrixverbundmaterialien
US20130308274A1 (en) * 2012-05-21 2013-11-21 Triquint Semiconductor, Inc. Thermal spreader having graduated thermal expansion parameters
US9609775B2 (en) * 2012-11-05 2017-03-28 Nsk Ltd. Semiconductor module
DE102013209719B4 (de) * 2013-05-24 2016-07-07 Infineon Technologies Ag Leistungshalbleitermodul mit Flüssigkeitskühlung
US9803938B2 (en) * 2013-07-05 2017-10-31 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Cooling assemblies having porous three dimensional surfaces
US9585241B2 (en) * 2013-09-24 2017-02-28 Infineon Technologies Ag Substrate, chip arrangement, and method for manufacturing the same
CN104202947A (zh) * 2014-08-20 2014-12-10 上海卫星装备研究所 一种柔性轻质高效导热索
DE102015201440A1 (de) * 2015-01-28 2016-07-28 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Versorgungsschiene für ein Kraftfahrzeug
DE102015102759A1 (de) * 2015-02-26 2016-09-01 Heraeus Deutschland GmbH & Co. KG Leistungselektronik-Modul und Verfahren zur Herstellung eines Leistungselektronik-Moduls
DE102015104518B3 (de) * 2015-03-25 2016-03-10 Infineon Technologies Ag Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsträgeranordnung mit einem Träger, der eine durch ein Aluminium-Siliziumkarbid-Metallmatrixkompositmaterial gebildete Oberfläche aufweist
US10872841B2 (en) * 2015-07-09 2020-12-22 Kabushiki Kaisha Toshiba Ceramic metal circuit board and semiconductor device using the same
DE112016000614T5 (de) * 2015-09-17 2017-10-19 Fuji Electric Co., Ltd. Lotmaterial für Halbleiterelemente
JP6769707B2 (ja) 2015-12-03 2020-10-14 ローム株式会社 半導体モジュール
JP6394667B2 (ja) * 2016-02-29 2018-09-26 株式会社デンソー 電力変換装置
JP7127641B2 (ja) * 2017-05-11 2022-08-30 住友電気工業株式会社 半導体装置
US20200006190A1 (en) * 2018-06-29 2020-01-02 Abb Schweiz Ag Heat transfer structure, power electronics module, cooling element, method of manufacturing a heat transfer structure and method of manufacturing a power electronics component
CN109904135A (zh) * 2019-02-28 2019-06-18 北京燕东微电子有限公司 一种碳化硅器件的封装结构
WO2020254143A1 (en) * 2019-06-19 2020-12-24 Danfoss Silicon Power Gmbh Half-bridge power assembly
US11614289B2 (en) 2020-01-21 2023-03-28 Dana Canada Corporation Aluminum heat exchanger with solderable outer surface layer
CN111828677B (zh) * 2020-05-29 2022-08-23 武汉船用机械有限责任公司 管道的流速调节装置及输送管道
TWI800963B (zh) * 2021-10-29 2023-05-01 艾姆勒科技股份有限公司 一種車用散熱裝置的表面圖案化鍍層之製作方法
DE102022209109A1 (de) * 2022-09-01 2024-03-07 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zum Verbinden eines Kühlermoduls mit einer Metallplatte und Bauteil
CN116844980B (zh) * 2023-06-16 2023-12-22 江苏希尔半导体有限公司 一种整流桥的封装工艺

Family Cites Families (40)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4170472A (en) 1977-04-19 1979-10-09 Motorola, Inc. Solder system
US4828008A (en) 1987-05-13 1989-05-09 Lanxide Technology Company, Lp Metal matrix composites
US5389450A (en) 1987-06-12 1995-02-14 Lanxide Technology Company, Lp Composite materials and methods for making the same
US5682594A (en) 1987-06-12 1997-10-28 Lanxide Technology Company, Lp Composite materials and methods for making the same
US5585165A (en) 1987-06-12 1996-12-17 Lanxide Technology Company, Lp Composite materials and methods for making the same
US5347426A (en) 1988-09-13 1994-09-13 Pechiney Recherche Electronic device including a passive electronic component
DE3937810C1 (en) 1989-11-14 1991-03-07 Eupec Europaeische Gesellschaft Fuer Leistungshalbleiter Mbh & Co Kg, 4788 Warstein, De Carrier plate with soft-soldered circuit substrate - has spacing wires of approximately same coefft. of thermal expansion as solder to limit loading of substrate
US5221558A (en) 1990-01-12 1993-06-22 Lanxide Technology Company, Lp Method of making ceramic composite bodies
ATE117281T1 (de) 1990-01-12 1995-02-15 Lanxide Technology Co Ltd Verfahren zur herstellung von keramischen verbundkörpern und so hergestellte körper.
US5524697A (en) 1990-03-15 1996-06-11 Pcc Composites, Inc. Method and apparatus for single die composite production
DE69126686T2 (de) 1990-08-14 1997-10-23 Texas Instruments Inc Wärmetransportmodul für Anwendungen ultrahoher Dichte und Silizium auf Siliziumpackungen
JPH06504755A (ja) 1991-01-11 1994-06-02 ランキサイド テクノロジー カンパニー,リミティド パートナーシップ 複合体から金属を除去する方法及び得られた製品
EP0567603B1 (de) 1991-01-16 1995-12-13 Lanxide Technology Company, Lp Verfahren zum entfernen von metall aus verbundkörpern und so erhaltene produkte
US5406029A (en) 1991-02-08 1995-04-11 Pcc Composites, Inc. Electronic package having a pure metal skin
JP3254001B2 (ja) 1991-04-08 2002-02-04 ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ 半導体モジュール用の一体化放熱器
JPH0623535A (ja) 1991-05-24 1994-02-01 Kobe Steel Ltd ろう付け用アルミニウム合金複合材
US5672433A (en) 1993-06-02 1997-09-30 Pcc Composites, Inc. Magnesium composite electronic packages
US5455118A (en) 1994-02-01 1995-10-03 Pcc Composites, Inc. Plating for metal matrix composites
US5524699A (en) 1994-02-03 1996-06-11 Pcc Composites, Inc. Continuous metal matrix composite casting
DE19515909C2 (de) 1995-04-29 2001-07-19 Behr Gmbh & Co Zinklöt-Verfahren zur Herstellung von hartgelöteten Wärmetauschern
US6228453B1 (en) 1995-06-07 2001-05-08 Lanxide Technology Company, Lp Composite materials comprising two jonal functions and methods for making the same
DE19643717A1 (de) 1996-10-23 1998-04-30 Asea Brown Boveri Flüssigkeits-Kühlvorrichtung für ein Hochleistungshalbleitermodul
DE19645636C1 (de) 1996-11-06 1998-03-12 Telefunken Microelectron Leistungsmodul zur Ansteuerung von Elektromotoren
DE19647590A1 (de) 1996-11-18 1998-05-20 Abb Research Ltd Hochleistungs-Halbleitermodul
US5796049A (en) 1997-04-04 1998-08-18 Sundstrand Corporation Electronics mounting plate with heat exchanger and method for manufacturing same
US6245442B1 (en) * 1997-05-28 2001-06-12 Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Metal matrix composite casting and manufacturing method thereof
DE19735531A1 (de) 1997-08-16 1999-02-18 Abb Research Ltd Leistungshalbleitermodul mit in Submodulen integrierten Kühlern
US6016007A (en) 1998-10-16 2000-01-18 Northrop Grumman Corp. Power electronics cooling apparatus
US20050181209A1 (en) 1999-08-20 2005-08-18 Karandikar Prashant G. Nanotube-containing composite bodies, and methods for making same
DE10006215A1 (de) 2000-02-11 2001-08-16 Abb Semiconductors Ag Baden Kühlvorrichtung für ein Hochleistungs-Halbleitermodul
US20040217472A1 (en) * 2001-02-16 2004-11-04 Integral Technologies, Inc. Low cost chip carrier with integrated antenna, heat sink, or EMI shielding functions manufactured from conductive loaded resin-based materials
DE10207873A1 (de) 2002-02-23 2003-09-04 Modine Mfg Co Kühlvorrichtung für elektronische/elektrische Komponenten
US7141310B2 (en) * 2002-04-17 2006-11-28 Ceramics Process Systems Corporation Metal matrix composite structure and method
DE10317580B4 (de) 2002-04-18 2010-09-16 Hitachi, Ltd. Elektrische Wechselrichtervorrichtung mit einem Flüssigkeitskanal sowie Elektrofahrzeug mit einer derartigen Wechselrichtervorrichtung
US6844621B2 (en) 2002-08-13 2005-01-18 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor device and method of relaxing thermal stress
US20040181209A1 (en) * 2003-03-14 2004-09-16 Gross James R. Multiple port catheter connector
DE10342242A1 (de) 2003-09-11 2005-04-07 Behr Gmbh & Co. Kg Lötwerkstück, Lötverfahren und Wärmetauscher
DE102004007510B4 (de) 2004-02-13 2019-08-14 Mahle International Gmbh Wärmeübertrager, insbesondere Ölkühler für Kraftfahrzeuge
JP4726455B2 (ja) 2004-09-22 2011-07-20 古河スカイ株式会社 アルミニウム合金材のろう付け方法およびアルミニウム合金製熱交換器の製造方法
DE102004054063B3 (de) 2004-11-05 2006-06-08 Danfoss Silicon Power Gmbh Verfahren zum Herstellen einer rissarmen Verbindung und rissarme Verbindung

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2337069A3 (de) * 2008-07-04 2013-10-09 Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki Halbleitervorrichtung
US8958208B2 (en) 2008-07-04 2015-02-17 Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki Semiconductor device
EP2389057A1 (de) * 2010-05-20 2011-11-23 Behr GmbH & Co. KG Elektronikkühler und Verfahren zum Herstellen eines Elektronikkühlers
DE102010029178A1 (de) * 2010-05-20 2011-11-24 Behr Gmbh & Co. Kg Elektronikkühler und Verfahren zum Herstellen eines Elektronikkühlers
EP2575418A1 (de) * 2010-05-20 2013-04-03 Behr GmbH & Co. KG Elektronikkühler und Verfahren zum Herstellen eines Elektronikkühlers
DE102011076774A1 (de) * 2011-05-31 2012-12-06 Continental Automotive Gmbh Baugruppe mit einem Träger und einem Kühlkörper
DE102021206698A1 (de) 2021-05-26 2022-12-01 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung eines kühlbaren Elektronikmoduls
WO2024056378A1 (de) * 2022-09-15 2024-03-21 Robert Bosch Gmbh Fluiddurchströmbarer kühler zum kühlen eines leistungsmoduls

Also Published As

Publication number Publication date
US7755185B2 (en) 2010-07-13
DE102007046349B4 (de) 2013-07-04
US20080079021A1 (en) 2008-04-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102007046349B4 (de) Anordnung zum Kühlen eines Leistungshalbleitermoduls
EP3008753B1 (de) Leistungsmodul
DE102014113238B4 (de) Elektronische Leistungsvorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Leistungsvorrichtung
DE102008016960B4 (de) Leistungshalbleitervorrichtung mit einem darin befestigten Modul
DE102013207804B4 (de) Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls mit mittels Lichtbogenschweissen direkt verbundenen, wärmeleitenden Strukturen
DE112016005570T5 (de) Leistungshalbleitervorrichtung
WO2019201660A1 (de) Kühlanordnung für elektrische bauelemente, stromrichter mit einer kühlanordnung sowie luftfahrzeug mit einem stromrichter
DE102014106127A1 (de) Leistungsmodul mit Kühlstruktur an Bondsubstrat zum Kühlen eines angebrachten Halbleiterchips
DE10251248A1 (de) Leistungshalbleitervorrichtung
DE102010003533B4 (de) Substratanordnung, Verfahren zur Herstellung einer Substratanordnung, Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls und Verfahren zur Herstellung einer Leistungshalbleitermodulanordnung
DE19735531A1 (de) Leistungshalbleitermodul mit in Submodulen integrierten Kühlern
DE102018115957A1 (de) Gemoldete Package mit einem Chipträger, der hartgelötete elektrisch leitfähige Schichten aufweist
DE102011083927A1 (de) Leistungsmodul und Verfahren zur Herstellung desselben
DE102016121801B4 (de) Baugruppe mit Verbindungen, die verschiedene Schmelztemperaturen aufweisen, Fahrzeug mit der Baugruppe und Verfahren zum Herstellen derselben und Verwendung der Baugruppe für eine Automobilanwendung
DE102010017001A1 (de) Wärmesenke und Verfahren zu deren Herstellung
DE102019216778A1 (de) Halbleitermodul, Fahrzeug und Fertigungsverfahren
DE102016114303A1 (de) Packung mit teilweise gekapseltem Kühlkanal zum Kühlen eines gekapselten Chips
DE102012200863A1 (de) Halbleitervorrichtung mit Grundplatte
DE202017006941U1 (de) Trägersubstrat für elektrische Bauteile
DE102014111786A1 (de) Kühlplatte, Bauelement, das eine Kühlplatte umfasst, und Verfahren zum Herstellen einer Kühlplatte
WO2018184948A1 (de) Zweiseitig gekühlter schaltkreis
DE102019211109A1 (de) Verfahren und Entwärmungskörper-Anordnung zur Entwärmung von Halbleiterchips mit integrierten elektronischen Schaltungen für leistungselektronische Anwendungen
DE112019006032T5 (de) Halbleiterbauteil
DE112011104406B4 (de) Halbleitervorrichtung
DE102017221778A1 (de) Kühlkörper für eine elektronische Komponente, elektronische Baugruppe mit einem solchen Kühlkörper und Verfahren zum Erzeugen eines solchen Kühlkörpers

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R082 Change of representative
R020 Patent grant now final

Effective date: 20131005