DE102009042518A1

DE102009042518A1 - Vorrichtung zur Kühlung von Halbleitern

Info

Publication number: DE102009042518A1
Application number: DE200910042518
Authority: DE
Inventors: Markus Grimmig; Jan Wanske
Original assignee: ESW GmbH
Current assignee: Vincorion Advanced Systems GmbH
Priority date: 2009-09-16
Filing date: 2009-09-16
Publication date: 2011-03-24

Abstract

Die Vorrichtung dient zur Kühlung von elektronischen Bauelementen und weist eine als Teil einer Halterung des Bauelementes ausgebildete metallische Grundplatte sowie einen Kühlkörper auf. Der Kühlkörper ist benachbart zur Grundplatte angeordnet. Mindestens bereichsweise ist zwischen der Grundplatte und dem Kühlkörper ein Verbindungselement angeordnet. Das Verbindungselement ist mindestens bereichsweise aus einem Metall ausgebildet, das eine Schmelztemperatur von mindestens 100°C aufweist. Das Verbindungselement ist bei einer Herstellung einmalig auf die Grundplatte aufgeschmolzen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung von elektronischen Bauelementen, die eine als Teil einer Halterung des Bauelementes ausgebildete metallische Grundplatte sowie einen Kühlkörper aufweist, der benachbart zur Grundplatte angeordnet ist und bei der mindestens bereichsweise zwischen der Grundplatte und dem Kühlkörper ein Verbindungselement angeordnet ist.
Derartige Verbindungselemente gemäß dem Stand der Technik sind typischerweise als sogenannte Wärmeleitpasten ausgebildet. Derartige Wärmeleitpasten sind in der Regel silikonhaltig und/oder graphithaltig. Ebenfalls ist es bereits bekannt, als Verbindungselemente beschichtete Metallfolien oder nicht metallische Wärmeleitelemente zu verwenden. Generell dienen derartige Verbindungselemente zu einer Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen dem elektronischen Bauelement, typischerweise einem Leistungshalbleiterbauelement, und dem Kühlkörper.
Aus dem Bereich der Konstruktion von Computern ist es auch bereits bekannt, Wärmeleitfolien zu verwenden. Derartige Wärmeleitfolien weisen einen Schmelzpunkt in einem Bereich von oberhalb von 58°C, typischerweise im Bereich von 60°C, auf und sind deshalb für Anwendungen im Bereich der Leistungselektronik nicht geeignet, da hier häufig Kühlkörpertemperaturen oberhalb von 100°C anzutreffen sind. Derartige Kühlkörpertemperaturen können zu einem Austreten von geschmolzenen Wärmeleitfolien führen und bergen somit die Gefahr von Kurzschlüssen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der einleitend genannten Art derart zu konstruieren, daß eine effektive Kühlung von elektronischen Bauelementen auch bei höheren Kühlkörpertemperaturen ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verbindungselement mindestens bereichsweise aus einem Metall ausgebildet ist, daß eine Schmelztemperatur von mindestens 100°C aufweist und daß das Verbindungselement bei der Herstellung einmalig auf die Grundplatte aufgeschmolzen ist.
Durch die Auswahl der vorgegebenen Schmelztemperatur für das Metall ist es möglich, auch bei höheren Kühltemperaturen den sehr guten Wärmeübergang zwischen dem zu kühlenden Bauelement, dem metallischen Verbindungselement und dem Kühlkörper zu nutzen und trotzdem ein Austreten von verflüssigtem Metall zu vermeiden.
Ein flüssiger Aggregatszustand des Verbindungselementes ist nur während des einmaligen Aufschmelzvorganges als Prozeßschritt des Herstellungsverfahrens vorgesehen. während des üblichen Betriebes bleibt das Verbindungselement hingegen fest, abgesehen von einer gegebenenfalls lokal implementierten Indikatorwirkung.
Es kann entweder ein unmittelbarer Kontakt zwischen dem Verbindungselement und dem elektronischen Bauelement vorgesehen sein, gemäß anderen Ausführungsformen ist es auch möglich, das elektronische Bauelement auf einem metallischen Träger zu positionieren und diesen über das Verbindungselement thermisch anzubinden.
Durch das Aufschmelzen des Verbindungselementes auf die Grundplatte und den Kühlkörper erfolgt auch bei eventuellen Durchbiegungen der Oberfläche der Grundplatte oder bei einem Auftreten von Oberflächenstrukturen oder Oberflächenrauhigkeiten ein sehr inniger Kontakt zwischen der Grundplatte und dem Verbindungselement und/oder zwischen dem Verbindungselement und dem Kühlkörper, so daß ein sehr guter Wärmeübergang gewährleistet ist. Insbesondere werden Luftpolster zwischen dem Verbindungselement und der Grundplatte vermieden.
Das einmalige Aufschmelzen erfolgt in der Regel derart, daß das Verbindungselement auf eine Schmelztemperatur erwärmt wird, die oberhalb einer Temperatur liegt, die im Normalbetrieb nicht erreicht wird, auch nicht bei Überlast. Eine derartige Temperatur ist für das Aufschmelzen zulässig, ohne daß eine Gefahr zur Beschädigung des Bauelementes besteht, da ein Temperaturgradient vorliegt, der umgekehrt zu einem normalen Temperaturgradienten während eines Betriebes verläuft. Während eines Betriebes weist das Bauelement, typischerweise im Bereich einer Sperrschicht des Halbleiters, die höchste Temperatur auf und diese ist über das Verbindungselement und den Kühlkörper abzuführen. Während des Aufschmelzvorganges ist hingegen das Bauelement kalt und die höchste Temperatur liegt im Bereich des Verbindungselementes vor. Da der Aufschmelzvorgang sich nur über einen geringen Zeitraum erstreckt, ist hier eine Überhitzung des Bauelementes ausgeschlossen.
Im geschmolzenen Zustand dringt das geschmolzene Metall des Verbindungselementes in die Oberflächenstrukturen der Grundplatte und/oder des Kühlkörpers ein und füllt diese aus.
Insbesondere ist daran gedacht, daß das Verbindungselement folienartig ausgebildet ist.
Eine gezielte Vorgabe von Materialeigenschaften kann dadurch erfolgen, daß das Verbindungselement aus einer Legierung ausgebildet ist. Typischerweise liegt eine Legierung aus den Elementen Indium, Zinn und Wismut vor, wobei der gewünschte Schmelzpunkt durch die jeweiligen Materialanteile dieser Legierungselemente vorgegeben wird.
Anwendungen im Bereich der Leistungselektronik werden dadurch unterstützt, daß die Schmelztemperatur mindestens 108°C beträgt. Die Schmelztemperatur von 108°C korrespondiert hierbei zu einer maximalen Sperrschichttemperatur von etwa 150°C des Halbleiters. Bei maximalen Sperrschichttemperaturen von 175°C wird typischerweise eine Schmelztemperatur von 130°C vorgesehen, bei einer maximalen Sperrschichttemperatur von 200°C beträgt eine typische Schmelztemperatur etwa 155°C.
Eine vergrößerte Funktionalität wird dadurch bereitgestellt, daß das Verbindungselement mindestens zweiteilig ausgebildet ist.
Eine nachträgliche Analyse von zeitlich zurückliegenden Betriebszuständen ist dadurch möglich, daß ein erster Teil eine Schmelztemperatur aufweist, die oberhalb einer zulässigen Betriebstemperatur des Bauelementes liegt und daß der zweite Teil eine Schmelztemperatur aufweist, die gleich einer vorgebbaren Indikationstemperatur ist.
Insbesondere erweist es sich als zweckmäßig, daß als Indikationstemperatur die maximal zulässige Betriebstemperatur des Bauelementes gewählt ist. Typischer Weise liegt die Indikationstemperatur um etwa 20°C oberhalb der unteren Schmelztemperatur. Bei einer unteren Schmelztemperatur von 108°C beträgt die Indikationstemperatur etwa 130°C.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist daran gedacht, daß das Verbindungselement folienartig ausgebildet ist.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
1 eine teilweise Darstellung eines Querschnittes durch eine Halterung für ein elektronisches Bauelement, die über ein metallisches Verbindungselement mit einem Kühlkörper in Kontakt steht,
2 eine stark vergrößerte Darstellung eines Übergangsbereiches zwischen der Grundplatte und dem Verbindungselement und
3 ein zweiteiliges Verbindungselement mit Indikatorfunktion.
Gemäß der Ausführungsform in 1 ist ein elektronisches Bauelement (1), typischer Weise ein Chip, im Bereich einer Halterung (2), typischer Weise eines Moduls, positioniert. Die Halterung (2) weist eine metallische Grundplatte (3) auf, die über ein Verbindungselement (4) mit einem Kühlkörper (5) gekoppelt ist. Der Kühlkörper (5) weist zur Unterstützung einer Wärmeabgabe an eine Umgebung Kühlrippen (6) auf, die sich vorzugsweise in eine dem Bauelement (1) abgewandelte Richtung erstrecken. Alternativ oder ergänzend zur Verwendung von Kühlrippen (6) ist es auch möglich, eine Flüssigkeitskühlung vorzusehen, wobei das Kühlfluid hierbei vorzugsweise durch Kühlkanäle hindurch geleitet wird.
2 zeigt eine stark vergrößerte teilweise Darstellung eines Übergangsbereiches von der Grundplatte (3) zum Verbindungselement (4). Insbesondere ist zu erkennen, daß die Grundplatte (3) eine Oberflächenstruktur (7) aufweist, in die das Material des Verbindungselementes (4) eingedrungen ist. Dieses Eindringen erfolgt in einem aufgeschmolzenen Zustand des Verbindungselementes (4). Dieser aufgeschmolzene Zustand wird bei einer in der Regel einmalig erfolgenden Temperierung des Verbindungselementes (4) auf einem Temperaturniveau oberhalb der Schmelztemperatur und oberhalb einer maximal zulässigen Betriebstemperatur des Bauelementes (1) erreicht. In gleicher Weise erfolgt auch eine Verbesserung des Wärmeüberganges vom Verbindungselement (4) zum Kühlkörper (5).
Als Material für das typischerweise als metallische Wärmeleitfolie ausgebildete Verbindungselement (4) eignen sich insbesondere spezielle Legierungen. Wie bereits erwähnt, können entsprechende Legierungen bevorzugt aus indium, Zinn und Wismut bestehen. Eine typische Dicke des Verbindungselementes (4) beträgt etwa 30 Mikrometer, vorzugsweise liegt die Dicke in einem Bereich von 20 Mikrometer bis 40 Mikrometer. Das Metall Indium kann anwendungsabhängig auch ganz oder teilweise durch Gallium ersetzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verbindungselement (4) aus zwei unterschiedlichen Materialien ausgebildet, die relativ zueinander unterschiedliche Schmelzpunkte aufweisen. Insbesondere ist es möglich, eine zweiteilige Wärmeleitfolie zu verwenden. Die erste Komponente weist hierbei einen Schmelzpunkt auf, der oberhalb der zulässigen Betriebstemperatur des Bauelementes (1) liegt und somit gesichert im vorgesehenen Einsatzbereich den festen Aggregatszustand behält. Der zweite Teil des Verbindungselementes (4) ist mit einer geeigneten Schmelztemperatur versehen, um das Überschreiten einer vorgebbaren kritischen Temperatur bei einer nachträglichen Auswertung anzuzeigen.
Beispielsweise ist es möglich, für diesen zweiten Teil des Verbindungselementes (4) einen Schmelzpunkt vorzusehen, der exakt der maximal zulässigen Betriebstemperatur des Bauelementes (1) entspricht. Wird nach dem Auftreten eines Schadens nachträglich festgestellt, daß dieser zweite Teil des Verbindungselementes (4) wenigstens einmal geschmolzen ist, so ist dies ein Anzeichen dafür, daß ein eventueller Schaden nicht durch einen Mangel am Bauelement (1), sondern durch eine Überschreitung der maximal zulässigen Betriebstemperatur aufgetreten ist.
Eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen metallischen Verbindungselementes (4) erfolgt im Zusammenhang mit elektronischen Bauelementen (1), die als Leistungshalbleiter ausgebildet sind. Die Anwendung ist sowohl im stationären als auch im mobilen Bereich möglich. Die verbesserte Kühlwirkung kann zur Erreichung unterschiedlicher Vorteile genutzt werden. Beispielsweise ist es möglich, durch die verbesserte Kühlwirkung die Leistungsdichte zu erhöhen. Ebenfalls ist es möglich, einen Betrieb mit erhöhten Kühlmitteltemperaturen und/oder bei erhöhten Umgebungstemperaturen zu ermöglichen. Generell ist es auch möglich, durch eine Verminderung der Betriebstemperaturen die Lebensdauer der Bauelemente (1) zu erhöhen.
Bei einer Ausbildung der Bauelemente als Leistungshalbleiter ist insbesondere an Realisierungen als IGBT oder MOSFET gedacht. Diese können in diskreter Bauform oder in einer Modulbauform vorliegen.
Die erfindungsgemäßen metallischen Verbindungselemente (4) vermindern die DIE-Temperatur um etwa 4 bis 6°K. Ebenfalls läßt sich gegenüber einer Verwendung von wärmeleitpasten ein deutlich verringerter Montageaufwand erreichen. Die Reproduzierbarkeit der erreichten Kühlwirkung wird verbessert und hierdurch können Qualitätsanforderungen an die Produktionsprozesse sicher eingehalten werden.
3 zeigt eine beispielhafte Konstruktion eines zweiteiligen Verbindungselementes (4). Es ist ein rahmenartiger erster Teil und ein vom Rahmen umgebener innerer Teil verwendet. Gemäß dieser Ausführungsform weist der Rahmen die Indikatorwirkung auf. Hierzu sind im Bereich des Rahmens Ausnehmungen bzw. Materialverjüngungen angeordnet. Bei einem Erreichen der Indikationstemperatur erfolgt ein mindestens teilweises Aufschmelzen des Rahmens und somit ein Auffüllen der Ausnehmungen bzw. zumindest ein Konturveränderung. Es ist somit nachträglich feststellbar, ob der rahmenartige Teil die Indikationstemperatur überschritten hat, die ein entsprechendes Aufschmelzen verursacht.

Claims

Vorrichtung zur Kühlung von elektronischen Bauelementen, die eine als Teil einer Halterung des Bauelementes ausgebildete metallische Grundplatte sowie einen Kühlkörper aufweist, der benachbart zur Grundplatte angeordnet ist und bei der mindestens bereichsweise zwischen der Grundplatte und dem Kühlkörper ein Verbindungselement angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (4) mindestens bereichsweise aus einem Metall ausgebildet ist, das eine Schmelztemperatur von mindestens 100°C aufweist und daß das Verbindungselement (4) bei einer Herstellung einmalig auf die Grundplatte (3) aufgeschmolzen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (4) folienartig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (4) aus einer Legierung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelztemperatur mindestens 108°C beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (4) mindestens zweiteilig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Teil eine Schmelztemperatur aufweist, die oberhalb einer zulässigen Betriebstemperatur des Bauelementes (1) liegt und daß der zweite Teil eine Schmelztemperatur aufweist, die gleich einer vorgebbaren Indikationstemperatur ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Indikationstemperatur die maximal zulässige Betriebstemperatur des Bauelementes (1) gewählt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (4) folienartig ausgebildet ist.