Die Erfindung betrifft Halbleitermodule. Insbesondere, wenn Halbleitermodule für hohe Leistungen ausgelegt sind, werden entsprechend großflächige Halbleiterchips verwendet, zu deren elektrischer und mechanischer Kontaktierung ebenfalls große Verbindungsflächen mit entsprechend hohen Lotvolumen erforderlich sind. Weiterhin sind Technologien bekannt, bei denen ein oder mehrere Halbleiterchips 1 auf einem gemeinsamen Träger 2 montiert sind, wie dies beispielhaft bei einem herkömmlichen Leistungshalbleitermodul gemäß 1 gezeigt ist. Hierbei sind zwei oder mehrere Halbleiterchips 1 auf einem gemeinsamen Träger 2 angeordnet, der einen Isolationsträger 20 aufweist, welcher auf einander entgegen gesetzten Seiten mit einer oberen Metallisierung 21 bzw. mit einer unteren Metallisierung 22 versehen ist. Der bestückte Schaltungsträger 2 wird mittels eines Lotes 3 mit einer Bodenplatte 4 verlötet. Um beim späteren Betrieb des Leistungshalbleitermoduls, bei dem dieses mit der Bodenplatte 4 an einem Kühlkörper montiert wird, einen geringen thermischen Übergangswiderstand zwischen der Bodenplatte 4 und dem Kühlkörper insbesondere unterhalb des Schaltungsträgers 2 zu erreichen, kann die Bodenplatte 4 eine Vorkrümmung aufweisen. Diese Vorkrümmung ist in 1 zur Verdeutlichung stark überhöht dargestellt. In der Praxis erscheint die Bodenplatte 4 als im Wesentlichen ebene Platte.The invention relates to semiconductor modules. In particular, when semiconductor modules are designed for high performance, correspondingly large-area semiconductor chips are used, for their electrical and mechanical contacting also large connecting surfaces with a correspondingly high solder volume are required. Furthermore, technologies are known in which one or more semiconductor chips 1 on a common carrier 2 are mounted, as exemplified in a conventional power semiconductor module according to 1 is shown. Here are two or more semiconductor chips 1 on a common carrier 2 arranged, which is an isolation carrier 20 having on opposite sides with an upper metallization 21 or with a lower metallization 22 is provided. The populated circuit carrier 2 is by means of a solder 3 with a bottom plate 4 soldered. To later during operation of the power semiconductor module, in which this with the bottom plate 4 is mounted on a heat sink, a low thermal contact resistance between the bottom plate 4 and the heat sink, in particular below the circuit substrate 2 to reach, the bottom plate can 4 have a pre-curvature. This pre-curvature is in 1 for clarity greatly exaggerated. In practice, the bottom plate appears 4 as a substantially flat plate.
Wohingegen 1 die Anordnung während des Lötvorganges bei noch flüssigem Lot 3 zeigt, ist in 2 dieselbe Anordnung zum Erstarrungs-Zeitpunkt während des nachfolgenden Abkühlens und Erstarren des Lotes 3 dargestellt.whereas 1 the arrangement during the soldering process with still liquid solder 3 shows is in 2 the same arrangement at the solidification time during the subsequent cooling and solidification of the solder 3 shown.
Beim Erstarren des Lotes 3 verringert sich dessen Volumen um ca. 4%. Dies führt zu einer Schrumpfung des Lotes 3 während des Abkühlens mit der Folge, dass im dem Lot 3 Lunker 30 entstehen, beispielsweise wenn aufgrund des Schrumpfungsvorgangs des Lotes 3 Luft seitlich in den Bereich unterhalb des Schaltungsträgers 2, als in den Bereich zwischen dem Schaltungsträger 2 und der Bodenplatte 4 nachfließt, was in 2 durch einen Pfeil angedeutet ist. Derartige Lunker 30 reduzieren den thermischen Übergangswiderstand zwischen dem Schaltungsträger 2 und der Bodenplatte 4 signifikant, so dass der Verbund aus Schaltungsträger 2 und Bodenplatte 4 nicht verwertbar ist.When the solder solidifies 3 its volume is reduced by about 4%. This leads to a shrinkage of the solder 3 while cooling down with the result that in the lot 3 Lunker 30 arise, for example if due to the shrinking process of the solder 3 Air side into the area below the circuit board 2 , as in the area between the circuit carrier 2 and the bottom plate 4 what flows in 2 indicated by an arrow. Such voids 30 reduce the thermal contact resistance between the circuit carrier 2 and the bottom plate 4 significantly, leaving the composite of circuit carrier 2 and bottom plate 4 is not usable.
Außerdem kann es, wie in 3 gezeigt, bei der späteren Montage des Halbleitermoduls an einem Kühlkörper 5 dazu kommen, dass die Bodenplatte 4 genau unterhalb des Schaltungsträgers 2 lokal besonders weit vom Kühlkörper 5 beabstandet ist. Dies führt dazu, dass in diesem Bereich eine Wärmeleitpaste 6, welche üblicherweise zwischen Bodenplatte 4 und Kühlkörper 5 eingebracht wird, beim Anpressen der Bodenplatte 4 gegen den Kühlkörper 5 lokal eine besonders hoch Schichtdicke ausbildet, und/oder dass in diesem Bereich Lufteinschlüsse zwischen Bodenplatte und Kühlkörper auftreten. In beiden Fällen kommt es insbesondere unterhalb des Schaltungsträgers 2 zu einer unerwünschten Reduzierung des thermischen Übergangswiderstandes zwischen der Bodenplatte 4 und dem Kühlkörper 5.Besides, it may, as in 3 shown in the later mounting of the semiconductor module to a heat sink 5 come to that, the bottom plate 4 just below the circuit board 2 locally especially far from the heat sink 5 is spaced. This causes a thermal paste in this area 6 which is usually between base plate 4 and heat sink 5 is introduced, when pressing the bottom plate 4 against the heat sink 5 locally forms a particularly high layer thickness, and / or that occur in this area air pockets between the bottom plate and heat sink. In both cases, it comes in particular below the circuit substrate 2 to an undesirable reduction of the thermal contact resistance between the bottom plate 4 and the heat sink 5 ,
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Leistungshalbleitermodul bereitzustellen, bei dem ein auf einer Bodenplatte montierter Halbleiterchip während seines Betriebs gut entwärmt wird. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Leistungshalbleitermoduls bereitzustellen.The object of the present invention is to provide a power semiconductor module in which a semiconductor chip mounted on a bottom plate is well-cooled during its operation. Another object is to provide a method of manufacturing such a power semiconductor module.
Diese Aufgaben werden durch ein Leistungshalbleitermodul gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls gemäß Patentanspruch 14 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.These objects are achieved by a power semiconductor module according to claim 1 or by a method for producing a power semiconductor module according to claim 14. Embodiments and developments of the invention are the subject of dependent claims.
Die Erfindung sieht vor, bei einem Halbleitermodul eine Bodenplatte zu verwenden, die eine Oberseite und eine der Oberseite entgegen gesetzte Unterseite aufweist, sowie eine mittlere Dicke. Auf der Oberseite ist ein mit einem oder mehreren Halbleiterchips bestückter Schaltungsträger angeordnet. Unterhalb des Schaltungsträgers weist die Bodenplatte einen verdickten Abschnitt auf. Dieser verdickte Abschnitt besitzt eine maximale Dicke, welche größer ist, als die mittlere Dicke. Außerdem ist der Schaltungsträger mit dem verdickten Abschnitt mittels eines Lotes verlötet. The invention provides for a semiconductor module to use a bottom plate, which has an upper side and an upper side opposite the upper side, and an average thickness. On the upper side, a circuit carrier equipped with one or more semiconductor chips is arranged. Below the circuit substrate, the bottom plate has a thickened portion. This thickened portion has a maximum thickness which is greater than the average thickness. In addition, the circuit carrier is soldered to the thickened portion by means of a solder.
Wenn der verdickte Abschnitt ganz oder teilweise an der dem Schaltungsträger zugewandten Seite der Bodenplatte ausgebildet ist, nimmt zumindest ein Teil der Verdickung einen Raum ein, der bei einem herkömmlichen Halbleitermodul mit Lot gefüllt wäre. Da hierdurch wesentlich weniger Lot verwendet werden kann als bei einem sonst identischen herkömmlichen Modul erforderlich wäre, ist auch die beim Erstarren des Lotes auftretende Volumenänderung des Lotes wesentlich geringer als dies bei einem herkömmlichen Modul der Fall wäre. Damit einhergehend ist das Volumen von im Lot eingeschlossenen Lunkern gegenüber herkömmlichen Halbleitermodulen signifikant reduziert, was im Ergebnis zu einer besseren thermischen Anbindung des oder der Halbleiterchips an die Bodenplatte führt. Die Tatsache allein, dass Lotvolumen durch das Bodenplattenträgermaterial ersetzt ist, sorgt schon für eine Verbesserung des thermischen Widerstandes (z. B. besitzt Kupfer mit etwa 400 W/(K·m) eine signifikant höhere Wärmeleitfähigkeit als Lot mit etwa 60 W/(K·m)).When the thickened portion is wholly or partially formed on the circuit carrier side facing the bottom plate, at least a portion of the thickening occupies a space which would be filled with solder in a conventional semiconductor module. Since this significantly less solder can be used as would be required in an otherwise identical conventional module, the volume change of the solder occurring during solidification of the solder is much lower than would be the case with a conventional module. Along with this, the volume of voids enclosed in the solder is significantly reduced compared to conventional semiconductor modules, which results in a better thermal connection of the semiconductor chip or chips to the bottom plate. The mere fact that solder volume is replaced by the base plate carrier material already provides for an improvement in thermal resistance (eg, copper having about 400 W / (K · m) has a significantly higher thermal conductivity than solder having about 60 W / (K) · m)).
Entsprechend nimmt bei einem an einem Kühlkörper montierten Halbleitermodul, bei dem der verdickte Abschnitt ganz oder teilweise an der dem Schaltungsträger abgewandten Seite der Bodenplatte ausgebildet ist, zumindest ein Teil der Verdickung einen Raum ein, in dem bei einem herkömmlichen Halbleitermodul eine zwischen dem Halbleitermodul und dem Kühlkörper befindliche Wärmeleitpaste eine besonders große Schichtdicke besäße, und/oder in dem sich Lufteinschlüsse befänden. Da die Verdickung aus einem Material gebildet ist, dessen Wärmeleitfähigkeit höher ist als die Wärmeleitfähigkeit von verfügbarer Wärmeleitpaste oder Luft, ergibt sich eine verbesserte thermische Anbindung der Bodenplatte und damit des oder der Halbleiterchips an den Kühlkörper. Correspondingly, in the case of a semiconductor module mounted on a heat sink, in which the thickened section is formed wholly or partially on the side of the bottom plate facing away from the circuit carrier, at least part of the thickening takes up a space in which, in the case of a conventional semiconductor module, one between the semiconductor module and the semiconductor module Heatsink located Wärmeleitpaste possessed a particularly large layer thickness, and / or in which air pockets were. Since the thickening is formed from a material whose thermal conductivity is higher than the thermal conductivity of available thermal compound or air, there is an improved thermal connection of the bottom plate and thus of the semiconductor chip or chips to the heat sink.
Zur Herstellung eines derartigen Halbleitermoduls wird ein mit einem oder mehreren Halbleiterchips bestückter Schaltungsträger bereitgestellt. Außerdem wird eine Bodenplatte bereitgestellt, die eine Oberseite aufweist, eine der Oberseite entgegen gesetzte Unterseite, eine mittlere Dicke, sowie einen verdickten Abschnitt. Der verdickte Abschnitt weist eine maximale Dicke auf, die größer ist als die mittlere Dicke. Zur Montage des bestückten Schaltungsträgers wird dieser mittels eines Lotes mit dem verdickten Abschnitt an der Oberseite verlötet.To produce such a semiconductor module, a circuit carrier equipped with one or more semiconductor chips is provided. In addition, a bottom plate is provided which has an upper side, an upper side opposite the upper side, an average thickness, and a thickened section. The thickened portion has a maximum thickness that is greater than the average thickness. To assemble the assembled circuit substrate, it is soldered to the thickened section at the top by means of a solder.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Teile mit gleicher oder einander entsprechender Funktion. Zur Verdeutlichung der Erfindung sind die dargestellten Schnittansichten signifikant überhöht dargestellt. Es zeigen:The invention will be explained in more detail by means of embodiments with reference to the accompanying figures. In the figures, like reference characters designate like or corresponding parts with same or corresponding function. To illustrate the invention, the illustrated sectional views are shown significantly exaggerated. Show it:
1 einen Vertikalschnitt durch eine Anordnung gemäß dem Stand der Technik, bei der ein mit Halbleiterchips bestückter Schaltungsträger mit einer Bodenplatte verlötet wird; 1 a vertical section through a device according to the prior art, in which a circuit substrate equipped with semiconductor chips is soldered to a bottom plate;
2 die Anordnung gemäß 1 zum Erstarrungszeitpunkt des Lotes; 2 the arrangement according to 1 at the time of solidification of the solder;
3 die Anordnung gemäß den 1 und 2, wobei diese bei erstarrtem Lot an einem Kühlkörper montiert ist; 3 the arrangement according to the 1 and 2 wherein this is mounted on solidified solder to a heat sink;
4 einen Vertikalschnitt durch eine Bodenplatte, die gemäß der vorliegenden Erfindung einen verdickten Abschnitt aufweist, wobei der verdickte Abschnitt durch eine oberseitige und eine unterseitige Verdickung der Bodenplatte gebildet ist, und wobei die oberseitige Verdickung und die unterseitige Verdickung jeweils durch einen Materialauftrag auf einen Träger gebildet sind; 4 a vertical section through a bottom plate having a thickened portion according to the present invention, wherein the thickened portion is formed by a top and a bottom thickening of the bottom plate, and wherein the top-side thickening and the bottom thickening are each formed by a material application to a support ;
5 einen Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemäße Bodenplatte, die sich von der Bodenplatte gemäß 4 lediglich dadurch unterscheidet, dass ihr verdickter Abschnitt nur durch einen oberseitigen Materialauftrag nicht aber durch einen unterseitigen Materialauftrag auf den Träger gebildet ist; 5 a vertical section through a bottom plate according to the invention, extending from the bottom plate according to 4 only differs in that their thickened portion is formed only by a top material application but not by a lower-side material application to the carrier;
6 einen Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemäße Bodenplatte, die sich von der Bodenplatte gemäß 4 lediglich dadurch unterscheidet, dass ihr verdickter Abschnitt nur durch einen unterseitigen Materialauftrag nicht aber durch einen oberseitigen Materialauftrag auf den Träger gebildet ist; 6 a vertical section through a bottom plate according to the invention, extending from the bottom plate according to 4 only differs in that their thickened portion is formed only by a lower-side material application but not by a top-side material application to the carrier;
7 einen Vertikalschnitt durch eine Bodenplatte gemäß der vorliegenden Erfindung, die sich von der Bodenplatte gemäß 4 lediglich dadurch unterscheidet, dass ihre oberseitige Verdickung nicht durch einen Materialauftrag sondern durch eine oberseitige Verdickung des Trägers gebildet ist; 7 a vertical section through a bottom plate according to the present invention, extending from the bottom plate according to 4 only differs in that their upper-side thickening is not formed by a material application but by an upper-side thickening of the carrier;
8 einen Vertikalschnitt durch eine Bodenplatte gemäß der vorliegenden Erfindung, die sich von der Bodenplatte gemäß 4 lediglich dadurch unterscheidet, dass ihre unterseitige Verdickung nicht durch einen Materialauftrag sondern durch eine unterseitige Verdickung des Trägers gebildet ist; 8th a vertical section through a bottom plate according to the present invention, extending from the bottom plate according to 4 only differs in that their underside thickening is not formed by a material application but by a bottom thickening of the carrier;
9 einen Vertikalschnitt durch eine Bodenplatte gemäß der vorliegenden Erfindung, die sich von der Bodenplatte gemäß 4 lediglich dadurch unterscheidet, dass ihre unterseitige Verdickung und die oberseitige Verdickung nicht durch Materialaufträge gebildet sind, sondern durch eine oberseitige bzw. unterseitige Verdickung des Trägers; 9 a vertical section through a bottom plate according to the present invention, extending from the bottom plate according to 4 only differs in that their underside thickening and the top thickening are not formed by material orders, but by a top or bottom thickening of the carrier;
10 einen Vertikalschnitt durch eine Bodenplatte gemäß der vorliegenden Erfindung, die sich von der Bodenplatte gemäß 5 lediglich dadurch unterscheidet, dass ihre oberseitige Verdickung nicht durch einen Materialauftrag auf den Träger gebildet ist, sondern durch eine oberseitige Verdickung des Trägers; 10 a vertical section through a bottom plate according to the present invention, extending from the bottom plate according to 5 only differs in that their upper-side thickening is not formed by a material application to the carrier, but by an upper-side thickening of the carrier;
11 einen Vertikalschnitt durch eine Bodenplatte gemäß der vorliegenden Erfindung, die sich von der Bodenplatte gemäß 6 lediglich dadurch unterscheidet, dass ihre unterseitige Verdickung nicht durch einen Materialauftrag auf den Träger gebildet ist, sondern durch eine unterseitige Verdickung des Trägers; 11 a vertical section through a bottom plate according to the present invention, extending from the bottom plate according to 6 only differs in that their underside thickening is not formed by a material application to the carrier, but by a bottom thickening of the carrier;
12 einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem ein mit einem oder mehreren Halbleiterchips bestückter Schaltungsträger auf den verdickten Abschnitt der in 4 gezeigten Bodenplatte gelötet ist; 12 4 a vertical section through a power semiconductor module according to the present invention, in which a circuit carrier equipped with one or more semiconductor chips is pressed onto the thickened section of the circuit carrier in FIG 4 soldered bottom plate shown is soldered;
13 das Halbleitermodul gemäß 10 nach dessen Montage an einem Kühlkörper; 13 the semiconductor module according to 10 after its mounting on a heat sink;
14 einen Abschnitt des Halbleitermoduls gemäß 10, anhand dem die Ermittlung der mittleren Dicke der Bodenplatte, der maximalen Dicke des verdickten Abschnitts sowie der Dicke des Lotes erläutert werden; 14 a portion of the semiconductor module according to 10 on the basis of which the determination of the average thickness of the bottom plate, the maximum thickness of the thickened section and the thickness of the solder are explained;
15 einen Vertikalschnitt durch eine Form zur Herstellung einer einen verdickten Abschnitt aufweisenden Bodenplatte durch Spritzgießen oder Einpressen; 15 a vertical section through a mold for producing a thickened portion having bottom plate by injection molding or pressing;
16 die Gussform gemäß 13 nach dem Einbringen eines Bodenplattenmaterials; 16 the mold according to 13 after introducing a bottom plate material;
17 die Bodenplatte gemäß 14 nach deren Entnahme aus der Form; und 17 the bottom plate according to 14 after removal from the mold; and
18 die Bodenplatte gemäß 15 nach der Entfernung des aus dem Einspritzkanal resultierenden Überstandes. 18 the bottom plate according to 15 after removal of the supernatant resulting from the injection channel.
4 zeigt einen Querschnitt durch eine Bodenplatte 4, welche eine Oberseite 41 und eine der Oberseite 41 entgegengesetzte Unterseite 42 aufweist, sowie einen verdickten Abschnitt 45. Die Oberseite 41 und die Unterseite 42 sind durch die flächenmäßig größten Seiten der Bodenplatte 4 gegeben. Der verdickte Abschnitt 45 ist dadurch gebildet, dass die Bodenplatte 4 eine obere Verdickung 43 und/oder eine untere Verdickung 44 aufweist. 4 shows a cross section through a bottom plate 4 which is a top 41 and one of the top 41 opposite bottom 42 and a thickened section 45 , The top 41 and the bottom 42 are by the largest in terms of area of the bottom plate 4 given. The thickened section 45 is formed by the fact that the bottom plate 4 an upper thickening 43 and / or a lower thickening 44 having.
Hierzu können die obere Verdickung 43 durch einen oberen Materialauftrag 430 und/oder die untere Verdickung 44 durch einen unteren Materialauftrag 440 auf einen Träger 40, beispielsweise eine Kupferplatte, erzeugt werden. Hierzu werden der obere Materialauftrag bzw. der untere Materialauftrag stoffschlüssig mit dem Träger 40 verbunden. Der Träger 40 und – soweit vorgesehen – der obere und/oder untere Materialauftrag 430 bzw. 440 stellen Bestandteile der Bodenplatte dar.For this, the upper thickening 43 through an upper material order 430 and / or the lower thickening 44 through a lower material order 440 on a carrier 40 , For example, a copper plate can be generated. For this purpose, the upper material order or the lower material application are materially bonded to the carrier 40 connected. The carrier 40 and - if provided - the upper and / or lower material order 430 respectively. 440 represent components of the bottom plate.
Soweit ein Materialauftrag 430 und/oder 440 vorgesehen ist, wird dieser nicht durch ein Weichlot gebildet. Insbesondere kann jeder Materialauftrag 430, 440 im wesentlichen frei von Zinn sein, d.h. sein Zinngehalt kann geringer sein als 5% Gewichtsprozent.As far as a material order 430 and or 440 is provided, this is not formed by a soft solder. In particular, every material order 430 . 440 be substantially free of tin, ie, its tin content may be less than 5% by weight.
Außerdem ist es aus Kostengründen vorteilhaft, wenn ein jeder der Materialaufträge 430, 440 vollständig oder im Wesentlichen frei von Edelmetallen ist, d.h. ein jeder der Materialaufträge 430, 440 kann einen Edelmetallanteil von weniger als 1 Gewichtsprozent aufweisen.In addition, it is advantageous for cost reasons, if each of the material orders 430 . 440 completely or substantially free of precious metals, ie each of the material orders 430 . 440 can have a precious metal content of less than 1 Percent by weight.
Der obere Materialauftrag 430, der untere Materialauftrag 440 und der Träger 40 stellen Bestandteile der Bodenplatte 4 dar. Bei dem gezeigten Beispiel wird der verdickte Abschnitt 45 sowohl durch den oberen Materialauftrag 430 als auch durch den unteren Materialauftrag 440 gebildet. Wie nachfolgend anhand der 5 und 6 gezeigt ist, könnte der verdickte Abschnitt 45 jedoch auch nur durch den oberen Materialauftrag 430 bzw. nur durch den unteren Materialauftrag 440 gebildet sein. Bei sämtlichen Ausgestaltungen einer Bodenplatte 4, bei der ein verdickter Abschnitt 45 durch einen oberen Materialauftrag 430 und/oder einen unteren Materialauftrag 440 auf einen Träger 40 gebildet ist, kann der betreffende Materialauftrag ein Material aufweisen oder aus einem Material bestehen, das sich vom Material des Trägers 40 unterscheidet. Beispielsweise können der oberen Materialauftrag 430 und/oder der untere Materialauftrag 440 durch Aufschweißen eines Metalls auf den Träger 40 erfolgen.The upper material order 430 , the bottom material order 440 and the carrier 40 make components of the bottom plate 4 In the example shown, the thickened section 45 both through the upper material application 430 as well as through the lower material order 440 educated. As follows from the 5 and 6 shown could be the thickened section 45 but only by the upper material order 430 or only through the lower material order 440 be formed. In all embodiments of a base plate 4 in which a thickened section 45 through an upper material order 430 and / or a lower material order 440 on a carrier 40 is formed, the material order in question may comprise a material or consist of a material that is different from the material of the carrier 40 different. For example, the upper material order 430 and / or the bottom material application 440 by welding a metal onto the carrier 40 respectively.
Ebenso ist jedoch möglich, dass bei Bodenplatten 4, deren prinzipieller Aufbau vorangehend beispielhaft anhand der 4 bis 6 erläutert wurde, anstelle des oberen Materialauftrags 430 und/oder des unteren Materialauftrags 440 der entsprechende Volumenbereich durch den Träger 40 eingenommen wird, der Träger 40 also auf der betreffenden Seite jeweils eine entsprechende Verdickung aufweisen muss. So zeigt 7 eine Bodenplatte 4, die sich von der Bodenplatte 4 gemäß 4 lediglich dadurch unterscheidet, dass ihre oberseitige Verdickung nicht durch einen oberseitigen Materialauftrag 430 sondern durch eine oberseitige Verdickung des Trägers gebildet ist. Entsprechend zeigt 8 eine Bodenplatte 4, die sich von der Bodenplatte 4 gemäß 4 lediglich dadurch unterscheidet, dass ihre unterseitige Verdickung nicht durch einen unteren Materialauftrag 440 sondern durch eine unterseitige Verdickung des Trägers gebildet ist. Die Bodenplatte 4 gemäß 9 unterscheidet sich von der Bodenplatte 4 gemäß 4 lediglich dadurch, dass ihre oberseitige Verdickung 43 und ihre unterseitige Verdickung 44 nicht durch Materialaufträge 430 bzw. 440 gebildet sind, sondern durch eine oberseitige bzw. unterseitige Verdickung des Trägers 40.However, it is also possible that floor plates 4 , whose basic structure above example by way of 4 to 6 instead of the upper material order 430 and / or the lower material order 440 the corresponding volume range through the carrier 40 is taken, the carrier 40 So on the page in question must each have a corresponding thickening. So shows 7 a bottom plate 4 extending from the bottom plate 4 according to 4 only differs in that their top thickening not by a top material application 430 but is formed by an upper-side thickening of the carrier. According to shows 8th a bottom plate 4 extending from the bottom plate 4 according to 4 only differs in that their underside thickening not by a lower material application 440 but is formed by a lower-side thickening of the carrier. The bottom plate 4 according to 9 is different from the bottom plate 4 according to 4 merely by having their top thickening 43 and their underside thickening 44 not by material orders 430 respectively. 440 are formed, but by a top or bottom thickening of the carrier 40 ,
Mit einer einen verdickten Abschnitt 45 aufweisenden Bodenplatte 4, wie sie vorangehend anhand der 4 bis 9 erläutert wurde, lässt sich ein Leistungshalbleitermodul dadurch realisieren, dass ein mit einem oder mehreren Halbleiterchips 1 bestückter Schaltungsträger 2 mit Hilfe eines Lotes 3 oberhalb des verdickten Abschnittes 45 mit der Oberseite 41 der Bodenplatte 4 verlötet wird. Ein derartiges Leistungshalbleitermodul ist in 12 beispielhaft anhand einer gemäß 4 ausgebildeten Bodenplatte 4 gezeigt. Statt dieser könnte jedoch auch jede beliebige andere anhand der 4 bis 9 erläuterte Bodenplatte 4 in gleicher bzw. entsprechender Weise verwendet werden.With a thickened section 45 having bottom plate 4 , as previously stated by the 4 to 9 has been explained, a power semiconductor module can be realized that one with one or more semiconductor chips 1 equipped circuit carrier 2 with the help of a solder 3 above the thickened section 45 with the top 41 the bottom plate 4 is soldered. Such a power semiconductor module is in 12 by way of example according to a 4 trained floor plate 4 shown. Instead of this, however, any other could be based on the 4 to 9 explained base plate 4 be used in the same or corresponding manner.
Bei dem einen oder den mehreren Halbleiterchips 1 kann es sich beispielsweise um steuerbare Leistungshalbleiterschalter wie z. B. MOSFETs, IGBTs, J-FETs oder Thyristoren handeln, oder um Dioden. Dabei es sich im Fall von mehreren Halbleiterchips 1 um eine beliebige Kombination insbesondere von zwei oder mehr der genannten aber auch anderer Halbleiterbauelemente handeln. Zum Beispiel können auf dem Schaltungsträger 2 nebeneinander ein steuerbarer Leistungshalbleiterschalter und eine zu dessen Laststrecke parallel geschaltete Freilaufdiode in Form von individuellen Halbleiterchips 1 angeordnet sein.The one or more semiconductor chips 1 For example, it may be controllable power semiconductor switch such. As MOSFETs, IGBTs, J-FETs or thyristors act, or to diodes. This is the case of several semiconductor chips 1 be any combination in particular of two or more of said but also other semiconductor devices. For example, on the circuit carrier 2 side by side a controllable power semiconductor switch and a load circuit connected in parallel to the freewheeling diode in the form of individual semiconductor chips 1 be arranged.
Der Schaltungsträger 2 umfasst einen Isolationsträger 20 mit zwei einander entgegen gesetzten Hauptflächen, welche durch die beiden flächenmäßig größten Seiten des Isolationsträgers 20 gebildet werden. Die eine dieser Hauptflächen ist mit einer oberen Metallisierungsschicht 21 versehen, die andere mit einer unteren Metallisierungsschicht 22. Soweit für die mit dem Leistungshalbleitermodul zu realisierende Schaltung erforderlich, kann die obere Metallisierungsschicht 21 zu Leiterbahnen und/oder Leiterflächen strukturiert sein. Der Isolationsträger 20 kann optional dazu dienen, die untere Metallisierungsschicht 22 elektrisch gegenüber der oberen Metallisierungsschicht 21 zu isolieren.The circuit carrier 2 includes an insulation support 20 with two opposing main surfaces, which pass through the two largest sides of the insulation carrier 20 be formed. One of these major surfaces is with an upper metallization layer 21 the other with a lower metallization layer 22 , As far as necessary for the circuit to be realized with the power semiconductor module, the upper metallization layer can 21 be structured to strip conductors and / or conductor surfaces. The insulation carrier 20 may optionally serve the lower metallization layer 22 electrically opposite the upper metallization layer 21 to isolate.
Bei dem Isolationsträger 20 kann es sich z. B. um ein Keramikplättchen handeln, das beispielsweise aus Aluminiumoxid (Al2O3), Aluminiumnitrid (AlN), Berylliumoxid (BeO), Siliziumnitrid (SiN) oder aus einem beliebigen anderen elektrisch isolierenden Keramikmaterial besteht. Grundsätzlich jedoch kann der Isolationsträger 20 auch aus einem beliebigen anderen elektrisch isolierenden Material wie z. B. Kunststoff bestehen. Der Schaltungsträger 2 kann z. B. als DCB-Substrat (DCB = Direct Copper Bonding), als AMB-Substrat (AMB = Active Metal Brazing), oder als DAB-Substrat (DAB = Direct Aluminium Bonding) ausgebildet sein. Die obere Metallisierungsschicht 21 und die untere Metallisierungsschicht 22 sind elektrisch gut leitend, sie können z. B. vollständig oder überwiegend aus Kupfer bestehen, oder vollständig oder überwiegend aus Aluminium.At the insulation carrier 20 can it be z. Example, to act a ceramic plate, which consists for example of alumina (Al2O3), aluminum nitride (AlN), beryllium oxide (BeO), silicon nitride (SiN) or any other electrically insulating ceramic material. Basically, however, the insulation carrier 20 also from any other electrically insulating material such. B. plastic. The circuit carrier 2 can z. B. as DCB substrate (DCB = Direct Copper Bonding), as AMB substrate (AMB = Active Metal Brazing), or as DAB substrate (DAB = direct aluminum bonding) may be formed. The upper metallization layer 21 and the lower metallization layer 22 are electrically good conductive, they can, for. B. completely or predominantly made of copper, or entirely or predominantly of aluminum.
Grundsätzlich kann anstelle des beschriebenen Schaltungsträgers 2 jedoch auch jeder beliebige Schaltungsträger auf dieselbe Weise eingesetzt werden, sofern dieser auf seiner dem einen oder den mehreren Halbleiterchips 1 abgewandten Unterseite eine lötbare Oberfläche aufweist.In principle, instead of the circuit substrate described 2 However, any circuit carrier can be used in the same way, provided that on its one or more semiconductor chips 1 opposite bottom has a solderable surface.
Der Schaltungsträger 2, der optional mit dem einen oder den mehreren Halbleiterchips 1 vorbestückt sein kann, ist mit seiner unteren Metallisierungsschicht 22 oberhalb des verdickten Abschnitts 45 mit der Oberseite 41 der Bodenplatte 4 verlötet. Das hierzu verwendete Lot 3 erstreckt sich dabei durchgehend von der Oberseite 41 bis zur unteren Metallisierung 22.The circuit carrier 2 , which is optional with the one or more semiconductor chips 1 can be pre-populated is with its lower metallization layer 22 above the thickened section 45 with the top 41 the bottom plate 4 soldered. The solder used for this purpose 3 extends continuously from the top 41 to the lower metallization 22 ,
Bei Ausgestaltungen, bei denen die Bodenplatte aus einem Träger 40 hergestellt ist, der nachträglich mit einem oberen Materialauftrag 430 und/oder oder einem unteren Materialauftrag 440 versehen wurde, kann für den Träger 40 eine ebene Platte verwendet werden, auf die der obere Materialauftrag 430 und/oder der untere Materialauftrag 440 aufgebracht werden. Als ebene Platte wird in diesem Zusammenhang eine Platte verstanden, bei der die Oberseite 41 und die Unterseite 42 in zueinander parallelen Ebenen liegen. Optional kann ein Träger 40 mit einer Vorkrümmung versehen werden, und zwar sowohl vor als auch nachdem der obere Materialauftrag 430 und/oder der untere Materialauftrag 440 auf den Träger 40 aufgebracht werden. Ebenso ist es möglich, dass von dem oberen Materialauftrag 430 und dem unteren Materialauftrag 440 zunächst der eine auf den noch als ebene Platte ausgebildeten Träger 40 aufgebracht wird, der Träger 40 dann zusammen mit diesem Materialauftrag 430 oder 440 vorgekrümmt und danach der andere 440 oder 430 der beiden Materialaufträge 430 bzw. 440 auf die schon vorgekrümmte Einheit aufgebracht wird.In embodiments in which the bottom plate of a carrier 40 is manufactured, which subsequently with an upper material order 430 and / or a lower material order 440 may be provided for the carrier 40 a flat plate can be used on which the upper material application 430 and / or the bottom material application 440 be applied. As a flat plate is understood in this context, a plate in which the top 41 and the bottom 42 lie in parallel planes. Optionally, a carrier 40 be provided with a pre-curvature, both before and after the upper material application 430 and / or the bottom material application 440 on the carrier 40 be applied. It is also possible that from the upper material order 430 and the lower material order 440 First, the one on the still trained as a flat plate carrier 40 is applied, the carrier 40 then together with this material order 430 or 440 Pre-curved and then the other 440 or 430 the two material orders 430 respectively. 440 is applied to the already pre-curved unit.
Wie aus 12 unmittelbar klar wird, kann ein Träger 40 einer Bodenplatte 4, deren Aufbau vorangehend anhand der 4, 5 und 6 erläutert wurde, eine einheitliche Dicke d40 aufweisen, beispielsweise im Bereich von 3 mm bis 5 mm. Der unterhalb des Schaltungsträgers 2 befindliche verdickte Bereich 45 weist hingegen eine maximale Dicke D45 auf, die größer ist als die einheitliche Dicke d40 des Trägers 40. Sofern der Träger 40 keine einheitliche Dicke d40 sondern eine über den Träger 40 variierende Dicke besitzt, ist die maximale Dicke D45 größer als die mittlere Dicke <d40> des Trägers 40, wobei diese mittlere Dicke <d40> wie folgt zu bestimmen ist: How out 12 Immediately becomes clear, a carrier can 40 a floor plate 4 whose structure is described above on the basis of 4 . 5 and 6 has a uniform thickness d40, for example in the range of 3 mm to 5 mm. The below the circuit board 2 located thickened area 45 on the other hand, has a maximum thickness D45 which is greater than the uniform thickness d40 of the carrier 40 , Unless the carrier 40 no uniform thickness d40 but one over the carrier 40 has varying thickness, the maximum thickness D45 is greater than the average thickness <d40> of the carrier 40 , where this average thickness <d40> is to be determined as follows:
Dabei sind A42 die Fläche der Unterseite 42 der Bodenplatte 4, d40 die gegebenenfalls ortsabhängige Dicke d40 des Trägers 40, sowie dA42 das Differential der Fläche A42. Auch eine ortsabhängige Dicke d40 kann beispielsweise an jeder Stelle des Trägers 40 im Bereich von 3 mm bis 5 mm liegen.A 42 is the area of the underside 42 the bottom plate 4 , d40 the optionally location-dependent thickness d40 of the support 40 , and dA 42 the differential of area A 42 . Also, a location-dependent thickness d40 can, for example, at any point of the carrier 40 in the range of 3 mm to 5 mm.
Wie anhand des Halbleitermoduls 12 im Vergleich zu dem herkömmlichen Halbleitermodul gemäß 2 zu erkennen ist, ist ein Volumenbereich, der sich bei der Anordnung gemäß 2 unterhalb des Schaltungsträgers 2 zwischen dem Schaltungsträger 2 und der Bodenplatte 4 mit einer großen Menge Lot gefüllt ist, bei der verbesserten Anordnung gemäß 12 zu einem erheblichen Anteil mit dem Material der oberseitigen Verdickung 43 gefüllt, welches eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt als das Lot 3. Hierdurch wird, ebenso wie durch die wegen der geringeren Lotmenge verringerte Neigung zur Lunkerbildung, eine verbesserte thermische Anbindung zwischen dem einen oder den mehreren Halbleiterchips 1 und der Bodenplatte 4 erreicht.As based on the semiconductor module 12 in comparison with the conventional semiconductor module according to 2 can be seen, is a volume range, which in the arrangement according to 2 below the circuit board 2 between the circuit carrier 2 and the bottom plate 4 filled with a large amount of solder, according to the improved arrangement 12 to a considerable extent with the material of the top thickening 43 filled, which has a higher thermal conductivity than the solder 3 , As a result, as well as due to the reduced amount of solder due to reduced tendency to voids formation, an improved thermal connection between the one or more semiconductor chips 1 and the bottom plate 4 reached.
Wie nachfolgend anhand von 13 erläutert wird, kann ein vorangehend unter Bezugnahme auf 12 beschriebenes Halbleitermodul mit der dem Schaltungsträger 2 abgewandten Unterseite 42 der Bodenplatte 4 an einer Wärmekontaktfläche 51 eines Kühlkörpers 5 montiert werden. Hierzu wird das Halbleitermodul mit der Unterseite 42 der Bodenplatte 4 an die Kontaktfläche 51 gepresst. Zur Erzeugung des erforderlichen Anpressdrucks, der in 13 durch zwei Pfeile symbolisiert ist, kann die Bodenplatte 4 mit dem Kühlkörper 5 beispielsweise verschraubt, verklemmt, vernietet, verpresst oder auf eine beliebige andere Art oder durch eine Kombination von mehreren der genannten Befestigungstechniken mit dem Kühlkörper 5 verbunden und/oder an diesen angepresst werden. Bei der Wärmekontaktfläche 51 kann es sich beispielsweise um eine ebene Oberfläche des Kühlkörpers 5 handeln.As follows from 13 may be explained above with reference to 12 described semiconductor module with the circuit carrier 2 opposite bottom 42 the bottom plate 4 on a thermal contact surface 51 a heat sink 5 to be assembled. For this purpose, the semiconductor module with the bottom 42 the bottom plate 4 to the contact surface 51 pressed. To generate the required contact pressure, in 13 symbolized by two arrows, the bottom plate can 4 with the heat sink 5 for example, bolted, clamped, riveted, pressed or in any other way, or by a combination of several of the said fastening techniques with the heat sink 5 connected and / or pressed against this. At the thermal contact surface 51 For example, it may be a flat surface of the heat sink 5 act.
Optional kann zwischen die Unterseite 42 der Bodenplatte 4 und die Wärmekontaktfläche 51 eine Wärmeleitpaste 6 oder ein anderes Wärmeübertragungsmedium eingebracht werden. Das Wärmeübertragungsmedium 6 dient dazu, kleinere unvermeidliche Zwischenräume, welche beispielsweise durch Kratzer in der Bodenplatte 4 und/oder dem Kühlkörper 5 oder durch eine Welligkeit der Unterseite 42 und/oder der Kontaktfläche 51 bedingt sein können, mit wärmeleitfähigem Material zu füllen und damit eine verbesserte Wärmeübertragung zwischen Bodenplatte 4 und Kühlkörper 5 sicherzustellen. Im Sinne einer möglichst optimalen thermischen Anbindung des Halbleitermoduls an den Kühlkörper 5 ist es jedoch wünschenswert, wenn das Wärmeübertragungsmedium 6 durch eine möglichst dünne Schicht gebildet ist.Optionally, between the bottom 42 the bottom plate 4 and the thermal contact surface 51 a thermal grease 6 or another heat transfer medium is introduced. The heat transfer medium 6 serves to smaller inevitable gaps, which, for example, by scratches in the bottom plate 4 and / or the heat sink 5 or by a ripple of the bottom 42 and / or the contact surface 51 may be conditional to fill with thermally conductive material and thus improved heat transfer between the bottom plate 4 and heat sink 5 sure. In terms of the best possible thermal connection of the semiconductor module to the heat sink 5 However, it is desirable if the heat transfer medium 6 is formed by a thin layer as possible.
Wie anhand der Anordnung gemäß 13 im Vergleich zu der herkömmlichen Anordnung gemäß 3 zu erkennen ist, ist ein Volumenbereich, der sich bei der Anordnung gemäß 3 unterhalb des Schaltungsträgers 2 zwischen der Bodenplatte 4 und dem Kühlkörper 5 befindet und der dort mit Wärmeleitpaste 6 und/oder mit Luft gefüllt ist, bei der Anordnung gemäß 13 zu einem erheblichen Anteil mit dem Material der unterseitigen Verdickung 44 gefüllt, welches eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt als das Wärmeübertragungsmedium 6. Hierdurch wird eine verbesserte thermische Anbindung zwischen der Bodenplatte 4 und dem Kühlkörper 5 erreicht.As according to the arrangement according to 13 in comparison with the conventional arrangement according to 3 can be seen, is a volume range, which in the arrangement according to 3 below the circuit board 2 between the bottom plate 4 and the heat sink 5 located and there with thermal grease 6 and / or is filled with air, in the arrangement according to 13 to a considerable extent with the material of the underside thickening 44 filled, which has a higher thermal conductivity than the heat transfer medium 6 , As a result, an improved thermal connection between the bottom plate 4 and the heat sink 5 reached.
Nachfolgend wird anhand von 14 erläutert, wie die lokal variierende Dicke d4 der Bodenplatte 4, die maximale Dicke D45 des verdickten Abschnitts 45 und die im allgemeinen lokal variierende Dicke d3 des Lotes 3 im Sinne der vorliegenden Erfindung zu ermitteln sind. Ausgangspunkt für die Ermittlung ist jeweils eine Tangente tA, tB in allen möglichen Punkten A bzw. B auf der Unterseite 42 der Bodenplatte 4. In den Berührungspunkten A bzw. B dieser Tangenten tA bzw. tB ist jeweils die Normale nA bzw. nB auf die Unterseite 42 zu ermitteln. Demgemäß verlaufen die Normalenrichtungen nA und nB in den zugehörigen Oberflächenpunkten A bzw. B senkrecht zu der zugehörigen Tangente tA bzw. tB. Die Dicken d4 der Bodenplatte 4 bzw. d3 des Lotes 3 sind jeweils in Richtung der Normalenrichtungen nA, nB zu ermitteln. Die maximale Dicke D45 des verdickten Abschnitts 45 ergibt sich aus dem Maximalwert sämtlicher Dickenwerte d4, die die Bodenplatte 4 innerhalb des verdickten Abschnitts 45 aufweist.The following is based on 14 explains how the locally varying thickness d4 of the bottom plate 4 , the maximum thickness D45 of the thickened section 45 and the generally locally varying thickness d3 of the solder 3 to be determined in the sense of the present invention. The starting point for the determination is in each case a tangent t A , t B in all possible points A and B on the underside 42 the bottom plate 4 , In the points of contact A or B of these tangents t A and t B respectively the normal n A and n B on the underside 42 to investigate. Accordingly, the normal directions n A and n B in the associated surface points A and B are perpendicular to the associated tangent t A and t B, respectively. The thicknesses d4 of the bottom plate 4 or d3 of the solder 3 are each to be determined in the direction of the normal directions n A , n B. The maximum thickness D45 of the thickened section 45 results from the maximum value of all thickness values d4, the bottom plate 4 within the thickened section 45 having.
Die maximale Dicke D45 des unterhalb des Schaltungsträgers 2 befindlichen verdickten Abschnitts 45 der Bodenplatte 4 ist größer als die mittlere Dicke <d4> der Bodenplatte 4, wobei sich diese wie folgt bestimmt: The maximum thickness D45 of the below the circuit board 2 located thickened section 45 the bottom plate 4 is greater than the mean thickness <d4> of the bottom plate 4 , where it is determined as follows:
Dabei sind A42 die Fläche der Unterseite 42 der Bodenplatte 4, d4 die ortsabhängige Dicke d4 der Bodenplatte 4, sowie dA42 das Differential der Fläche A42.A 42 is the area of the underside 42 the bottom plate 4 , d4 the location-dependent thickness d4 of the bottom plate 4 , and dA 42 the differential of area A 42 .
Optional kann die Differenz D45 – <d4> zwischen der maximalen Dicke D45 und der mittleren Dicke <d4> der Bodenplatte 4 mindestens 50 µm oder mindestens 500 µm betragen.Optionally, the difference D45 - <d4> between the maximum thickness D45 and the average thickness <d4> of the bottom plate 4 may be at least 50 μm or at least 500 μm.
Unabhängig davon kann die Differenz D45 – <d4> zwischen der maximalen Dicke D45 und der mittleren Dicke <d4> auch höchstens 2 mm oder höchstens 1 mm betragen.Independently of this, the difference D45 - <d4> between the maximum thickness D45 and the average thickness <d4> may also be at most 2 mm or at most 1 mm.
Unabhängig davon kann die mittlere Dicke <d4> der Bodenplatte 4 beispielsweise in einem Bereich von 1 mm bis 6 mm liegen.Regardless, the average thickness <d4> of the bottom plate 4 for example, in a range of 1 mm to 6 mm.
Wie bereits erläutert ist das Volumen des Lotes 3 bei einem Halbleitermodul gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einem herkömmlichen Halbleitermodul signifikant reduziert. Hierdurch kann die mittlere Dicke <d3> des Lotes 3 bei Halbleitermodulen gemäß der vorliegenden Erfindung besonders kleine Werte annehmen. So kann die mittlere Dicke <d3> beispielsweise kleiner sein als 300 µm oder sogar kleiner als 50 µm. Hierbei ist die mittlere Dicke <d3> wie folgt zu ermitteln: As already explained, the volume of the solder 3 is significantly reduced in a semiconductor module according to the present invention as compared with a conventional semiconductor module. This allows the average thickness <d3> of the solder 3 in semiconductor modules according to the present invention particularly accept small values. For example, the average thickness <d3> may be smaller than 300 μm or even smaller than 50 μm. The mean thickness <d3> should be determined as follows:
Dabei ist d3 die gegebenenfalls ortsabhängige Dicke d3 des Lotes 3. A423 ist die Teilfläche der Unterseite 42 der Bodenplatte 4, die solche und nur solche Punkte aufweist, in den die Normalen zur Unterseite 42 das Lot 3 durchschneiden. In 14 erstreckt sich diese Teilfläche von Punkt C entlang der Unterseite 42 bis zu Punkt D. Außerdem bezeichnet dA423 das Differential der Teilfläche A423.In this case, d3 is the optionally location-dependent thickness d3 of the solder 3 , A 423 is the partial surface of the underside 42 the bottom plate 4 which has such and only such points in which the normals to the bottom 42 the lot 3 cut. In 14 this subarea extends from point C along the bottom 42 to point D. Also, dA 423 denotes the differential of the face A 423 .
Außerdem kann die maximale Dicke D3 des Lotes beispielsweise kleiner sein als 500 µm oder sogar kleiner als 300 µm. Die maximale Dicke D3 des Lotes 3 ergibt sich aus dem Maximalwert sämtlicher Dickenwerte d3 des Lotes 3.In addition, the maximum thickness D3 of the solder, for example, be less than 500 microns or even less than 300 microns. The maximum thickness D3 of the solder 3 results from the maximum value of all thickness values d3 of the solder 3 ,
Bei sämtlichen vorangehend erläuterten Halbleitermodulen, soweit diese eine Bodenplatte 4 mit einem anhand der in den 4, 5 und 7 bis 10 erläuterten Aufbau verwenden, kann die Oberseite 41 der Bodenplatte 4 unterhalb des Schaltungsträgers 2 konvex gekrümmt sein, was den 12, 13 und 14 ohne weiteres zu entnehmen ist. Alternativ dazu könnte jedoch der unterhalb des Schaltungsträgers 2 befindliche Abschnitt der Oberseite 41 auch eben sein.In all the above-explained semiconductor modules, as far as these are a bottom plate 4 with a reference to the in the 4 . 5 and 7 to 10 Using explained construction, the top can 41 the bottom plate 4 below the circuit board 2 be curved convex, which is the 12 . 13 and 14 is readily apparent. Alternatively, however, could be below the circuit substrate 2 located section of the top 41 also be just.
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung einer Bodenplatte 4 erläutert. Hierzu wird, wie in 15 gezeigt ist, eine Form 9 bereitgestellt, die ein Oberteil 91 und ein Unterteil 92 aufweist. Das Unterteil 92 enthält einen Hohlraum 90, welcher eine Negativform der herzustellenden Bodenplatte 4 darstellt. Weiter enthält die Form 9 einen Einspritzkanal 95, über den ein flüssiges, die spätere Bodenplatte bildendes Material, beispielsweise ein Metall, in den Hohlraum 90 eingefüllt werden kann. Weiterhin weißt die Form 9 noch einen oder mehrere nicht dargestellte Entlüftungskanäle auf. Als Metall, das über den Einspritzkanal 95 in die Form eingespritzt wird ("metal injection molding"), eignet sich beispielsweise handelsübliches Kupfer, aber auch hochreines Kupfer, oder Legierungen mit zumindest einem dieser Metalle. 16 zeigt die Anordnung nach dem Einfüllen eines flüssigen Metalls. Nachdem der auf diese Weise hergestellte, in 17 gezeigte Rohling aus der Form 9 entnommen wurde, kann dieser noch einen oder mehrere Fortsätze 46 aufweisen, die jeweils durch Abschnitte des Metalls gebildet sind, welches in einem Gusskanal 95 zurückgeblieben sind. Diese Fortsätze 46 können anschließend beispielsweise durch Schleifen, Fräsen oder eine beliebige andere Technik entfernt werden, so dass im Ergebnis eine Bodenplatte 4 aus einem einheitlichen Material vorliegt, wie sie in 17 gezeigt ist und die die Merkmale der bezugnehmend auf 9 erläuterten Bodenplatte 4 aufweist. Auf entsprechende Weise können auch Träger 40 hergestellt werden, wie sie anhand der 7 und 8 erläutert wurden, sowie Bodenplatten 4, wie sie anhand der 10 und 11 erläutert wurden. Anstelle von Gießen kann das flüssige Metall auch unter Druck in die Form 9 gespritzt werden.Hereinafter, a method for producing a bottom plate 4 explained. For this purpose, as in 15 shown is a shape 9 provided an upper part 91 and a lower part 92 having. The lower part 92 contains a cavity 90 , which is a negative mold of the base plate to be produced 4 represents. Next contains the form 9 an injection channel 95 , via which a liquid, the later bottom plate forming material, such as a metal, in the cavity 90 can be filled. Furthermore, the form knows 9 nor one or more ventilation ducts, not shown. As metal, over the injection channel 95 is injected into the mold ("metal injection molding"), for example, commercially available copper, but also high-purity copper, or alloys with at least one of these metals. 16 shows the arrangement after filling a liquid metal. After being made in this way, in 17 shown blank from the mold 9 is removed, this can still one or more extensions 46 each formed by portions of the metal, which in a casting channel 95 are lagging behind. These extensions 46 can then be removed, for example, by grinding, milling or any other technique, so that as a result a bottom plate 4 is made of a uniform material, as in 17 is shown and the features of the reference to 9 explained floor plate 4 having. In a similar way, carriers can 40 be prepared as they are based on the 7 and 8th as well as floor slabs 4 as they are based on the 10 and 11 were explained. Instead of pouring, the liquid metal can also be under pressure in the mold 9 be sprayed.
Eine Bodenplatte 4, welche einen verdickten Abschnitt 45 aufweist, kann grundsätzlich auf beliebige andere Arten hergestellt werden. Möglich sind beispielsweise das Walzen, Prägen, Fräsen oder Schleifen einer Metallplatte, oder das lokale Aufkratzen oder Aufschaben von Material einer Metallplatte. Ebenso können 3D-Aufbautechniken eingesetzt werden, bei denen eine Bodenplatte 4 oder eine Materialanhäufung auf einer beispielsweise ebenen Metallplatte sukzessive aufgebaut wird. Das Aufbringen von Material kann beispielsweise durch Hartlöten erfolgen (d.h. durch Löten bei einem Schmelzpunkt von mehr als 400°C), durch Schweißen, durch Kaltverformen (z.B. Prägen, Pressen oder Walzen), durch Sprengplattieren, oder durch Walzplattieren. Ebenso möglich ist die Herstellung einer erfindungsgemäß geformten Bodenplatte durch eine Ultraschallformgebung. Hierbei wird ein zusätzliches Teil, beispielsweise ein Metallteil, mittels einer Sonotrode unter Einwirkung von Ultraschall an die teilfertige Bodenplatte angepresst, so dass es sich mit der teilfertigen Bodenplatte verbindet. Optional können auch mehrere Techniken auf beliebige Art und Weise kombiniert werden. Sofern aus bestimmten Techniken eine unerwünscht raue Oberfläche resultiert, kann diese z.B. durch Schleifen, Polieren oder Läppen geglättet werden.A floor plate 4 which has a thickened section 45 can basically be produced in any other ways. For example, it is possible to roll, emboss, mill or grind a metal plate, or to locally scratch or scrape material from a metal plate. Similarly, 3D construction techniques can be used, in which a bottom plate 4 or an accumulation of material on a flat metal plate, for example, is built up successively. The application of material may, for example, be by brazing (ie by brazing at a melting point greater than 400 ° C), by welding, by cold working (eg stamping, pressing or rolling), by explosive plating, or by roll cladding. Likewise possible is the production of a base plate shaped according to the invention by ultrasonic shaping. In this case, an additional part, for example a metal part, is pressed by means of a sonotrode under the action of ultrasound to the partially finished base plate, so that it connects to the partially finished base plate. Optionally, several techniques can be combined in any way. If certain techniques result in an undesirably rough surface, it can be smoothed by grinding, polishing or lapping, for example.
Als Materialien für eine erfindungsgemäße Bodenplatte 4 und/oder einen Träger 40 eignen sich beispielsweise Kupfer, Aluminium-Silizium-Karbid, Magnesium-Silizium-Karbid, Kupfer-Silizium-Karbid, etc., oder gesinterte Metallpulver wie z.B. gesintertes Kupferpulver, gesintertes Aluminiumpulver, sowie gesinterte Pulver aus einer Legierung von Kupfer und/oder Aluminium. Optional können Hohlräume, die beim Sintern entstehen, danach ganz oder teilweise mit einem Metall, z.B. Aluminium, infiltriert werden. Außerdem kann die Oberseite 41 einer Bodenplatte 4 im Bereich des aufzubringenden Lotes 3 mit einer Beschichtung zur Verbesserung Lötbarkeit versehen werden. Zur Herstellung einer solchen Beschichten eignet sich beispielsweise Nickel. Die Beschichtung kann z.B. galvanisch aufgebracht werden.As materials for a bottom plate according to the invention 4 and / or a carrier 40 For example, copper, aluminum-silicon carbide, magnesium-silicon carbide, copper-silicon carbide, etc., or sintered metal powders such as sintered copper powder, sintered aluminum powder, and sintered powders of an alloy of copper and / or aluminum are suitable. Optionally, cavities formed during sintering can then be completely or partially infiltrated with a metal, eg aluminum. In addition, the top can 41 a floor plate 4 in the area of the solder to be applied 3 be provided with a coating for improving solderability. For example, nickel is suitable for producing such a coating. The coating can be applied, for example, by electroplating.
Eine weitere Technik zur Vermeidung von Lunkern in dem Lot 3 kann dadurch erfolgen, dass das flüssige Lot beim Auflöten eines Schaltungsträgers 2 auf einen verdickten Abschnitt 45 einer Bodenplatte 4 ausgehend von seiner Mitte abgekühlt wird, so dass das Lot 3 beginnend in der Mitte erstarrt und die sich bildende Erstarrungsfront in Richtung der seitlichen Ränder des Lotes 3 ausbreitet. Hierdurch kann ein Nachfließen von Luft in das Lotinnere und damit die Ausbildung von Lunkern 30 (2) vermieden werden. Zum Abkühlen kann eine Wärmesenke, beispielsweise ein kühler oder gekühlter Metallformkörper, unterhalb der Mitte des Lotes 3 mit der Unterseite 42 der Bodenplatte 4 oder oberhalb der Mitte des Lotes 3 mit dem Schaltungsträger 2 oder einer darauf bestückten Komponente in thermischen Kontakt gebracht werden. Ebenso kann eine Kühlung durch einen Kühlfluidstrahl, beispielsweise Luft, ein Gas oder eine Flüssigkeit, erfolgen, der an eine Stelle gerichtet wird, die sich unterhalb der Mitte des Lotes 3 an der Unterseite 42 der Bodenplatte 4 oder oberhalb der Mitte des Lotes 3 an dem Schaltungsträger 2 befindet.Another technique for avoiding voids in the solder 3 can be done by the liquid solder during soldering of a circuit substrate 2 on a thickened section 45 a floor plate 4 starting from its center is cooled, leaving the solder 3 starting in the middle solidified and the forming solidification front towards the lateral edges of the solder 3 spreads. As a result, a subsequent flow of air into the Lotinnere and thus the formation of voids 30 ( 2 ) be avoided. For cooling, a heat sink, for example, a cool or cooled metal moldings, below the center of the solder 3 with the bottom 42 the bottom plate 4 or above the middle of the solder 3 with the circuit carrier 2 or a component loaded thereon in thermal contact. Likewise, cooling may be accomplished by a stream of cooling fluid, such as air, a gas or a liquid, which is directed to a location below the center of the solder 3 on the bottom 42 the bottom plate 4 or above the middle of the solder 3 on the circuit carrier 2 located.
