-
Die
Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul und im Besonderen
ein Leistungshalbleitermodul mit verbesserter Wärmeübertragung auf einen Kühlkörper.
-
Um
die in den Halbleiterbauelementen eines Leistungshalbleitermoduls
entstehende Wärme
abzuführen,
wird diese zum Beispiel mittels eines mit dem Leistungshalbleitermodul
in thermischem Kontakt stehenden Kühlkörper abgeführt. Üblicherweise weisen die Oberflächen der
Kontaktstellen zwischen Leistungshalbleitermodul und Kühlkörper Unebenheiten
auf, die die Wärmeleitung
zwischen diesen Kontaktflächen
verschlechtern können.
Solche Unebenheiten werden beispielsweise durch eine zwischen die
Kontaktflächen
eingebrachte Wärmeleitfolie
oder Wärmeleitpaste
ausgeglichen, wodurch eine verbesserte Wärmeableitung erzielt wird.
-
Die
Wärmeleitfolien
werden vor der Montage zwischen das Leistungshalbleitermodul und
den entsprechenden Kühlkörper gelegt.
Wärmeleitpasten werden
typischerweise vor dem Zusammenfügen von
Leistungshalbleitermodul und Kühlkörper mittels eines
Pinsels, einer Rolle oder eines Siebdruckverfahrens auf eine oder
beide der Kontaktflächen
aufgetragen.
-
Nachteilig
wirkt sich bei Wärmeleitfolien
aus, dass diese eine gegenüber
Wärmeleitpasten
geringere Wärmeleitfähigkeit
aufweisen. Weiterhin verhindern Wärmeleitfolien einen Metall-zu-Metall-Kontakt zwischen
Leistungshalbleitermodul und Kühlkörper. Ein
zumindest teilweiser Metall-zu-Metall-Kontakt erhöht die Wärmeableitung
aus dem Leistungshalbleitermodul erheblich.
-
Ein
Metall-zu-Metall-Kontakt kann im Gegensatz dazu durch die Verwendung
einer Wärmeleitpaste
erreicht werden. Nachteilig wirkt sich dabei allerdings aus, dass
diese Wärmeleitpaste
während des
Betriebs des Leistungshalbleitermoduls aus dem Zwischenraum zwischen
den Kontaktflächen
des Halbleiterbauelements und des Kühlkörpers verdrängt werden kann.
-
Die
Kontaktflächen
des Leistungshalbleitermodul und des Kühlkörpers können sich unter dem Einfluss
von Temperaturänderungen,
insbesondere bei unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der Materialien
an den Kontaktflächen,
relativ zueinander verschieben oder unterschiedlich verformen. Ein beim
Betrieb auftretendes wiederholtes Erwärmen und Abkühlen des
Leistungshalbleitermoduls und damit der Kontaktflächen führt dazu,
dass die Wärmeleitpaste
gleich einem Pumpeffekt zumindest teilweise aus dem Bereich zwischen
den Kontaktflächen herausgedrückt wird.
Ein solcher unerwünschter Austrag
von Wärmeleitpaste
führt dann
im Laufe der Zeit zu einer verminderten Wärmeübertragung zwischen Halbleiterbauelement
und Kühlkörper.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die Wärmeübertragung zwischen einem Leistungshalbleitermodul
und einem Kühlkörper unter
Einsatz einer Wärmeleitpaste
dauerhaft zu verbessern.
-
Die
Aufgabe wird gelöst
durch Vorsehen einer definierten Rauhtiefe der Kontaktflächen, so
dass die Wärmeleitpaste
zwischen den Kontaktflächen
gehalten wird. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens
sind Gegenstand von Unteransprüchen.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert, wobei
gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigt:
-
1 einen
Querschnitt durch eine bekannte Anordnung mit einem Leistungshalbleitermodul, einem
Kühlkörper und
dazwischen liegender Wärmeleitpaste;
-
2a einen
Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem Leistungshalbleitermodul,
einem Kühlkörper und
dazwischen liegender Wärmeleitpaste,
wobei die Kontaktfläche
des Moduls zum Kühlkörper durch
Strahlen aufgerauht ist;
-
2b einen
Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem Leistungshalbleitermodul,
einem Kühlkörper und
dazwischen liegender Wärmeleitpaste,
wobei die Kontaktfläche
des Moduls zum Kühlkörper durch
Fräsen
aufgerauht ist;
-
3 einen
vergrößerten Querschnitt
einer bekannten Anordnung mit einem Leistungshalbleitermodul, einem
Kühlkörper und
dazwischen liegender Wärmeleitpaste,
bei der die Rauhtiefe der beiden Kontaktflächen kleiner ist als die Partikelgröße der Wärmeleitpaste;
und
-
4 einen
vergrößerten Querschnitt
einer erfindungsgemäßen Anordnung
mit einem Leistungshalbleitermodul, einem Kühlkörper und dazwischen liegender
Wärmeleitpaste,
bei der die Rauhtiefe der beiden Kontaktflächen größer ist als die Partikelgröße der Wärmeleitpaste.
-
1 zeigt
in einem Querschnitt ein Leistungshalbleitermodul 1 und
einen Kühlkörper 2,
die jeweils an einer Kontaktfläche 3 bzw.
eine Kontaktfläche 4 aneinander
gefügt
sind. Zwischen den Kontaktflächen 3 und 4 ist
weiterhin zur Verbesserung der Wärmeübertragung
eine Wärmeleitpaste 5 eingebracht.
Als Wärmeleitpaste 5 ist
alles das anzusehen, was eine zähe,
viskose Konsistenz hat und wärmeleitende
Partikel, insbesondere Metallpartikel enthält. Bekannte Wärmeleitpasten werden
zum Beispiel von den Firmen Dow Corning (z. B. DC340), Electrolube, Assmann
und AOS hergestellt und vertrieben.
-
Wie
aus 1 zu ersehen ist weist zumindest eine der Kontaktflächen 3 und 4,
im vorliegenden Fall die Kontaktfläche 3, eine Unebenheit
auf. Solche Unebenheiten in der Oberflächenbeschaffenheit einer Kontaktfläche können bedingt
durch Fertigungstoleranzen und/oder am Leistungshalbleitermodul 1 ausgeführte Lötprozesse
(thermische Verspannungen) auftreten. Ähnliche Unebenheiten können dabei
auch bei der Kontaktfläche 4 des
Kühlkörpers 2 auftreten,
sind aber der Übersichtlichkeit
halber in 1 nicht dargestellt. Die zwischen
die unebenen Kontaktflächen 3 und 4 eingebrachte
Wärmeleitpaste 5 gleicht
Unebenheiten zwischen den beiden Kontaktflächen 3 und 4 aus
und stellt zwischen diesen eine wärmeleitende Verbindung her.
-
Wie
aus 1 weiterhin zu ersehen ist, wird die Menge der
zwischen die Kontaktflächen 3 und 4 eingebrachten
Wärmeleitpaste
so gewählt,
dass möglichst
auch ein direkter metallischer Kontakt zwischen den Kontaktflächen 3 und 4 zustande
kommt. Der Grund hierfür
ist, dass ein direkter metallischer Kontakt zwischen dem Halbleiterbauelement
und dem Kühlkörper auch
im Vergleich zur Wärmeleitpaste
die beste Wärmeableitung
bietet. Dennoch verbleiben große
Bereiche, in denen kein direkter metallischer Kontakt zwischen den
Kontaktflächen 3 und 4 besteht
und wo die Wärmeableitung
allein über
die in den Zwischenräumen
zwischen Kontaktfläche 3 und 4 eingebrachten
Wärmeleitpaste 5 erfolgt.
-
Im
normalen Betrieb unterliegt das Leistungshalbleitermodul und der
Kühlkörper einschließlich der
dazwischen eingebrachten Wärmeleitpaste typischerweise
wiederholtem Erwärmen
und Abkühlen.
Das Erwärmen
und Abkühlen
kann dabei durch Änderungen
in der Umgebungstemperatur oder Schwankungen der Verlustwärme des
Leistungshalbleitermoduls bedingt sein.
-
Da
sich die Kontaktflächen
des Halbleiterbauelements 1 und des Kühlkörpers 2 unter dem
Einfluss von Temperaturänderungen,
insbesondere bei unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Kontaktflächen, relativ
zueinander verschieben oder unterschiedlich verformen, entsteht
ein so genannter Pumpeffekt. Dies führt dazu, dass Teile der Wärmeleitpaste
durch diesen Pumpeffekt im Laufe der Zeit aus dem Bereich zwischen
den Kontaktflächen 3 und 4 herausgedrückt werden.
Ein solcher unerwünschter
Austrag von Wärmeleitpaste
führt zu
einer verminderten Wärmeübertragung
zwischen Leistungshalbleitermodul 1 und Kühlkörper 2.
-
2a und 2b zeigen
Ausführungsbeispiele
für erfindungsgemäß bearbeitete
Kontaktoberflächen
mit definierter Rauhigkeitstiefe. Der Übersichtlichkeit halber ist
wiederum nur eine Kontaktfläche
als entsprechend bearbeitete Fläche
dargestellt, nämlich
die Kontaktfläche 3 des
Leistungshalbleitermoduls 1, wobei eine bessere Wirkung
erzielt wird, wenn sowohl die Kontaktfläche 3 als auch die
Kontaktfläche 4 des
Kühlkörpers entsprechend
bearbeitet sind. 2a zeigt beispielhaft eine Oberflächenstruktur
einer Kontaktfläche 3,
wie diese zum Beispiel durch eine Oberflächenbehandlung mittels Strahlverfahren,
zum Beispiel Sandstrahlen oder Strahlen mit kleinen Glaskugeln oder
Stahlkies erzielt wird. Demgegenüber
zeigt 2b beispielhaft eine Oberflächenstruktur
einer Kontaktfläche 3,
wie diese zum Beispiel durch entsprechendes Fräsen der Kontaktfläche erzielt
werden kann. Weitere Verfahren, um eine Oberflächenstruktur mit definierter
Rauhigkeitstiefe zu erzielen umfassen Bürsten, Schleifen, chemische
Behandlung usw.
-
Dabei
wird die Rauhigkeitstiefe der Kontaktflächen so gewählt, dass sich die Partikel
der jeweils verwendeten Wärmeleitpaste
optimal in die in der Mikrostruktur der Oberfläche entstehenden Vertiefungen
legen können.
Dies bedeutet, dass die Rauhigkeitstiefe der Oberflächen) abhängig von
der durchschnittlichen Partikelgröße der verwendeten Wärmeleit paste
gewählt
wird. So weist zum Beispiel eine häufig verwendete Wärmeleitpaste
der Firma Dow Corning, Bezeichnung DC340, näherungsweise runde Partikel
in der Größe von etwa
5 μm auf.
Die Rauhigkeitstiefe der Kontaktoberfläche 3 und/oder 4 wird dann
entsprechend kleiner gewählt,
beispielsweise zwischen 1,25 μm
und 3,75 μm
und insbesondere bei etwa 2,5 μm.
-
Vorteilhaft
ist dabei, dass der Temperaturabfall an der Grenze zwischen Kontaktoberfläche und Wärmeleitpaste
gering ist (Wärme
gut abgeleitet wird), da sich die Partikel der verwendeten Wärmeleitpaste
gut in die Vertiefungen einpassen und damit im Vergleich zu nicht
aufgerauten Oberflächen
einen wesentlich größeren mit
der Kontaktfläche
in Kontakt stehende Oberfläche
zur Verfügung
stellen. Weiterhin stellt die beschriebene Rauhigkeit der Kontaktfläche vorteilhaft
eine insgesamt größere Oberfläche zur
Wärmeableitung
zur Verfügung,
als dies bei üblichen,
glatteren Kontaktflächen
der Fall wäre.
-
Weitere
Beispiele für
verwendete Wärmeleitpasten
sind diejenigen der Hersteller ElectroLube, Assmann und AOS dar,
die mit einer Partikelgröße von bis
zu 50 μm
spezifiziert sind. In einem solchen Fall wird die Rauhigkeitstiefe
beider Kontaktflächen 3 und/oder 4 beispielsweise
im Bereich zwischen 12,5 μm
und 37,5 μm
der durchschnittlichen Partikelgröße insbesondere in etwa um
oder gleich 25 μm
gewählt, so
dass wiederum die Wahl der Rauhigkeitstiefe der Kontaktflächen 3 und/oder 4 von
der Partikelgröße der jeweils
verwendeten Wärmeleitpaste 5 abhängt, beispielsweise
im Bereich von 25% bis 75% der durchschnittlichen Partikelgröße und insbesondere bei
ca. 50% liegt.
-
Dabei
muss die Rauhigkeitstiefe der beiden Kontaktflächen 3 und 4 untereinander
nicht notwendigerweise gleich gewählt werden, können also
auch voneinander abweichen. Insbesondere können die Rauhigkeitstiefen
beider Kontaktflächen 3 und 4 zusammen
genommen dem Wert der Partikelgröße der verwendeten Wärmeleitpaste 5 entsprechen
oder (etwas) größer sein
als dieser, um ein gutes Anlegen der Partikel an den Kontaktflächen 3 und 4 mit
großer Kontaktfläche zu gewährleisten.
So kann beispielsweise die Rauhigkeitstiefe der Kontaktfläche 3 zu 30%
der Partikelgröße gewählt werden
und die der Kontaktfläche 4 zu
70% der Partikelgröße.
-
Dies
bedeutet auch, dass zum Beispiel nur eine der Kontaktflächen 3 und 4 entsprechend
bearbeitet werden kann, um die Partikel der Wärmeleitpaste 5 optimal
aufzunehmen, wobei diese dann eine Rauhigkeitstiefe aufweist, die
in etwa der Partikelgröße der Wärmeleitpaste 5 entspricht
oder (etwas) größer ist
als diese. Die jeweils andere Kontaktfläche bleibt in diesem Fall unbearbeitet.
Daraus ergibt sich der Vorteil, dass nur eine der Kontaktflächen 3 und 4 entsprechend
bearbeitet werden muss, wodurch sich Kostenvorteile bei der Fertigung
ergeben können.
Im Sinne einer optimalen Anhaftung (Kontaktfläche zwischen Partikeln der
Wärmeleitpaste 5 und
den Kontaktflächen 3 und 4)
und damit optimalen Wärmeübertragung
ist jedoch eine Bearbeitung beider Kontaktflächen 3 und 4 günstiger,
die leicht größer oder gleich
der Partikelgröße der jeweils
verwendeten Wärmeleitpaste
ist.
-
Wie
weiter oben bereits erwähnt,
wird Wärmeleitpaste
vor allem auch dazu eingesetzt, um Unebenheiten zwischen diesen
den Kotaktflächen
auszugleichen, wobei ein direkter metallischer Kontakt der Kotaktflächen zu
bevorzugen ist, da dieser die beste Wärmeübertragung bietet. Es ist ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass die in ihrer Mikrostruktur,
also der Rauhigkeitstiefe bearbeiteten Kontaktflächen im Vergleich zu unbehandelten
Kontaktflächen
eine wesentlich größere Anzahl
von einzelnen, direkten metallischen Kontakten zwischen den Kontaktflächen 3 und 4 ermöglichen,
wenn diese Rauhigkeitstiefe wie beschrieben in Abhängigkeit von
der Partikelgröße der verwendeten
Wärmeleitpaste 5 gewählt wird.
Dies wird anhand der nachfolgenden 3 und 4 veranschaulicht.
-
3 zeigt
wiederum im Querschnitt ein Leistungshalbleitermodul 1 und
einen Kühlkörper 2 mit
entsprechenden Kontaktflächen 3 bzw. 4 sowie zwischen
diesen angeordneter Wärmeleitpaste 5. Die
Darstellung gemäß 3 ist
dabei so vergrößert, dass
einzelne Partikel der Wärmeleitpaste 5 zu
ersehen sind. Dabei ist in diesem Beispiel die Rauhigkeitstiefe
der Kontaktflächen 3 und 4 nicht
erfindungsgemäß, das heißt geringer
ausgeführt
als die durchschnittliche Partikelgröße. Es ist aus 3 zu ersehen,
dass die größten Partikel
der Wärmeleitpaste 5 die
beiden Kontaktflächen 3 und 4 so
weit auf Distanz halten, dass in Bezug auf die Mikrostruktur der
Kontaktflächen
kein direkter metallischer Kontakt zwischen diesen Kontaktflächen möglich ist,
der die Wärmeübertragung
zwischen Leistungshalbleitermodul 1 und Kühlkörper 2 zusätzlich deutlich
verbessern würde.
-
Dementsprechend
entstehen in der Anordnung gemäß 4 zwei
getrennte Übergangsbereiche
für den
erwünschten
Wärmeübergang
vom Leistungshalbleitermodul 1 zum Kühlkörper 2. Diese sind die
Grenzfläche
zwischen dem Leistungshalbleitermodul 1 und der Wärmeleitpaste 5 und
die Grenzfläche
zwischen der Wärmeleitpaste 5 und
dem Kühlkörper 2.
Die zwischen diesen metallischen Grenzflächen angeordnete Wärmeleitpaste 5 weist
typischerweise einen gegenüber
Metall deutlich niedrigeren Wärmeleitwert
auf.
-
4 zeigt
einen Querschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul 1 und
einen Kühlkörper 2 mit entsprechenden
Kontaktflächen 3 und 4 und
zwischen diesen angeordneter Wärmeleitpaste 5.
Die Darstellung gemäß 3 ist
wiederum so vergrößert, dass
einzelne Partikel der Wärmeleitpaste 5 zu ersehen
sind. Gemäß 4 ist
die Rauhigkeitstiefe der Kontaktflächen 3 und 4 erfindungsgemäß so gewählt, dass
trotz der zwischen Kontaktfläche 3 und 4 eingebrachten
Wärmeleitpaste 5 eine
sehr große
Anzahl von direkten metallischen und gut wär meleitenden Kontakten zwischen
den beiden Kontaktflächen 3 und 4 auftreten.
-
Dies
bedeutet im Gegensatz zur Anordnung nach 3, dass
hier sowohl eine Wärmeübertragung
vom Leistungshalbleitermodul 1 in den Kühlkörper 2 über die
Grenzfläche
zwischen dem Leistungshalbleitermodul 1 und der Wärmeleitpaste 5 und
die Grenzfläche
zwischen der Wärmeleitpaste 5 und dem
Kühlkörper 2 stattfindet,
gleichzeitig jedoch auch dort, wo die beiden Kontaktflächen 3 und 4 in
direkten metallischen Kontakt stehen, nur ein einziger Wärmeübergang
ohne Beteiligung der Wärmeleitpaste 5 auftritt.
Der Grund hierfür
ist, dass die Rauhigkeitstiefen der Kontaktflächen 3 und 4 in
Summe leicht größer oder
gleich der Partikelgröße der Wärmeleitpaste 5 gewählt wurden.
In Summe ergibt sich dadurch im Vergleich zur Ausführungsform
gemäß 3 ein
deutlich verbesserter Wärmeübergang
zwischen Leistungshalbleitermodul 1 und Kühlkörper 2.
-
Die
Anordnung gemäß 4 wirkt
dabei auch dem im Zusammenhang mit 1 beschriebenen
Pumpeffekt beziehungsweise dem Austrag von Wärmeleitpaste 5 aus
dem Zwischenraum zwischen den Kontaktflächen 3 und 4 entgegen.
Durch die Mikrostruktur der Rauhigkeit wird zwischen den in direktem
metallischem Kontakt stehenden Kontaktflächen 3 und 4 eine
Vielzahl von Kammern gebildet, die einen Austrag der Wärmeleitpaste 5 verhindern.
-
Weiterhin
ist aus 4 zu ersehen, dass sich durch
die definierte Rauhigkeitstiefe der erwünschte gute Kontakt zwischen
den Oberflächen der
Partikel der Wärmeleitpaste 5 und
den beiden Kontaktflächen 3 und 4 ergibt.
Ein als näherungsweise
rund angenommener Partikel der Wärmeleitpaste 5 würde im Gegensatz
dazu bei im Wesentlichen glatten Kontaktflächen nach dem Stand der Technik jeweils
nur in einem Punkt an der Kontaktfläche anliegen, wodurch die Wärmeübertragung
gegenüber der
Ausführungsform
gemäß 4 verschlechtert ist.