DE102013207043B4

DE102013207043B4 - Halbleitermodulanordnung und Verfahren zur Montage eines Halbleitermoduls an einem Kühlkörper

Info

Publication number: DE102013207043B4
Application number: DE102013207043.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Daginnus
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-04-18
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2020-02-27
Anticipated expiration: 2033-04-19
Also published as: US9330996B2; DE102013207043A1; CN104112723A; US20140312485A1; CN104112723B

Abstract

Halbeitermodulanordnung umfassend:ein Halbleitermodul (10) das eine Unterseite (10b) mit einer Wärmeableitfläche (11) aufweist, sowie eine der Unterseite (10b) entgegengesetzte Oberseite (10t), die in einer vertikalen Richtung (v) von der Unterseite (10b) beabstandet ist;ein Wärmeübertragungsmaterial (50), das strukturiert oder unstrukturiert auf die Wärmeableitfläche (11) aufgebracht ist; undeinen Schutzdeckel (20), der derart unverlierbar an dem Halbleitermodul (10) montiert ist, dass im montierten Zustanddie Oberseite (10t) frei liegt und der Schutzdeckel (20) die Wärmeableitfläche (11) überdeckt; undder Schutzdeckel (20) mit dem Halbleitermodul (10) verrastet oder verklebt und dadurch unverlierbar an dem Halbleitermodul (10) montiert ist und von dem Wärmeübertragungsmaterial (50) beabstandet ist und dieses nicht berührt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleitermodulanordnung sowie ein Verfahren zur Montage eines Halbleitermoduls an einem Kühlkörper. Insbesondere in der Leistungselektronik ist es häufig erforderlich, die in einem elektronischen Bauelement oder einer Baugruppe anfallende Verlustwärme über eine Wärmeableitfläche in Richtung eines Kühlkörpers abzuleiten, an dem das Bauelement oder die Baugruppe montiert ist, um eine Überhitzung des Bauelementes oder der Baugruppe zu vermeiden.
Besonders günstig ist es, wenn die Wärmeableitfläche eine korrespondierende Montagefläche des Kühlkörpers möglichst großflächig kontaktiert. Allerdings berühren sich die Wärmeableitfläche und die Montagefläche aufgrund unvermeidlicher Oberflächenrauigkeiten und Welligkeiten nur über einen Teil der maximal möglichen thermischen Kontaktfläche, d.h. es gibt im allgemeinen zahlreiche Stellen, an denen die Wärmeableitfläche und die Montagefläche lokal voneinander beabstandet sind. Um in diesen Bereichen den Wärmeübergangswiderstand zu verringern, wird üblicherweise eine Wärmeübergangsmaterial (TIM = thermal interface material) verwendet, das die bestehenden Unebenheiten ausgleicht. Bei derartigen Wärmeübergangsmaterialien handelt es sich beispielsweise um Wärmeleitpasten oder Wärmeleitfolien.
Bei Wärmeableitflächen von maximal wenigen Quadratzentimetern und vergleichsweise kleinen Verlustleistungen sind diese Maßnahmen normalerweise ausreichend. Größere Wärmeableitflächen, wie sie beispielsweise bei Halbleitermodulen zum Einsatz kommen, können jedoch eine deutlich größere Welligkeit aufweisen als kleine Bauteile. Außerdem können sich größere Wärmeableitflächen bedingt durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten von miteinander verbundenen Bestandteilen des zu kühlenden Halbleitermoduls je nach Temperatur der beteiligten Komponenten unterschiedlich stark verbiegen.
Bei einer derartigen Anordnung besteht die Gefahr, dass das Wärmeübergangsmaterial, nachdem es auf die Wärmeableitfläche des Halbleitermoduls versehentlich aufgebracht wurde, verwischt und/oder verschmutzt wird, sowie dass es zu einer Verschmutzungen der Umgebung kommt.
Um einen besonders geringen thermischen Übergangswiderstand zwischen Halbleitermodul und Kühlkörper zu erzielen, ist es auch bekannt, das Wärmeübergangsmaterial als Schicht mit einer vorgegebenen Struktur, beispielsweise mit einer inhomogenen Dicke und/oder segmentiert, auf die Wärmeableitfläche aufzutragen. Die Erzeugung einer derartigen vorgegebenen Struktur ist jedoch sehr aufwändig, weshalb es vorteilhaft ist, wenn das Auftragen des Wärmeübergangsmaterials auf die Wärmeableitfläche beim Hersteller des Halbleitermoduls erfolgt, während die Montage des mit dem Wärmeübergangsmaterial versehenen Halbleitermoduls auf dem Kühlkörper beim Endkunden geschieht. Dies erfordert jedoch im Allgemeinen einen Transport des mit dem Wärmeübergangsmaterial versehenen Halbleitermoduls zum Endkunden, was die Gefahr eines Verwischens und/oder einer Verschmutzung des aufgebrachten Wärmeübergangsmaterials erhöht.
Aus DE 103 20 186 A1 ist ein Leistungshalbleitermodul bekannt, auf das eine Wärmeleitpaste aufgetragen ist. Zum Schutz der Wärmeleitpaste ist ein Kunststoffformteil vorgesehen, dass die Wärmeleitpaste überdeckt. Bei dem Kunststoffformteil handelt es sich um eine Tiefziehfolie, die Noppen aufweist, welche auf der Wärmeleitpaste aufliegen bzw. in diese eintauchen.
Die US 2006 / 0 268 520 A1 , die US 2009 / 0 067 133 A1 und die US 2005 / 0 180 115 A1 zeigen jeweils einen Kühlkörper mit aufgetragener Wärmeleitpaste, die durch eine an dem Kühlkörper befestigte Abdeckung überdeckt wird.
Die DE 10 2011 083 224 A1 beschreibt ein Leistungshalbleitermodul, auf dessen Unterseite eine strukturierte Wärmeleitpastenschicht aufgebracht ist.
Aus US 2002 / 0 086 801 A1 ist es bekannt, für den Wärmeübergang zwischen einem elektronischen Bauelement und einem Kühlkörper ein Phasenwechselmaterial einzusetzen.
Die DE 10 2010 005 047 A1 beschreibt eine Anordnung mit mehreren Leistungshalbleitermodulen, die nebeneinander auf einem Karton angeordnet sind. Zwischen dem Karton und jedem Leistungshalbleitermodul befindet sich ein Kunststoffformkörper, der eine auf das betreffende Leistungshalbleitermodul aufgetragene Wärmeleitpaste schützt. Die Leistungshalbleitermodule werden von einer gemeinsamen Decklage, die jeweils zwischen den Leistungshalbleitermodulen mit dem Karton verklebt sind, auf dem Karton fixiert. Der Karton und die Decklage bilden eine Transportverpackung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Halbleitermodulanordnung bereitzustellen, mit der sich zumindest einer, mehrere oder aber sämtliche der genannten Nachteile vermeiden lassen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Montage eines Halbleitermoduls an einem Kühlkörper bereitzustellen, mit dem zumindest einer, mehrere oder aber sämtliche der genannten Nachteile vermieden werden können.
Diese Aufgaben werden durch eine Halbleitermodulanordnung gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch ein Verfahren zur Montage eines Halbleitermoduls an einem Kühlkörper gemäß Patentanspruch 19 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Eine Halbleitermodulanordnung basiert auf einem Halbleitermodulsystem, das ein Halbleitermodul mit einer Unterseite und einer der Unterseite entgegengesetzten Oberseite, die in einer vertikalen Richtung von der Unterseite beabstandet ist, umfasst. Die Unterseite weist eine Wärmeableitfläche auf. Ein Wärmeübertragungsmaterial ist strukturiert oder unstrukturiert auf die Wärmeableitfläche aufgebracht. Weiterhin enthält das Halbleitermodulsystem einen Schutzdeckel, der derart unverlierbar an dem Halbleitermodul montiert ist, dass die Oberseite im montierten Zustand frei liegt und der Schutzdeckel die Wärmeableitfläche überdeckt, und dass der Schutzdeckel mit dem Halbleitermodul verrastet oder verklebt und dadurch unverlierbar an dem Halbleitermodul montiert und von dem Wärmeübergangsmaterial beabstandet ist und dieses nicht berührt.
Zur Montage eines Halbleitermoduls an einem Kühlkörper wird bei einer solchen Halbleitermodulanordnung der Schutzdeckel von dem Halbleitermodul entfernt und das Halbleitermodul dann derart an einem bereitgestellten Kühlkörper montiert, dass das Wärmeübergangsmaterial den Kühlkörper kontaktiert.
Durch den Schutzdeckel wird das auf das Halbleitermodul aufgebrachte Wärmeübergangsmaterial gegen Einwirkung von außen geschützt. Bei dem Wärmeübergangsmaterial kann es sich um eine herkömmliche Wärmeleitpaste handeln, insbesondere auch um ein Phasenwechselmaterial („Phase Change Material“ PSD), d.h. um ein Material, dessen Viskosität sich mit zunehmender Betriebstemperatur des Halbleitermoduls verringert. Generell kann ein Wärmeübergangsmaterial zunächst in Form einer Paste vorliegen. Das Aufbringen des pastösen Wärmeübergangsmaterials auf die Wärmeableitfläche kann beispielsweise im Siebdruckverfahren erfolgen, oder unter Verwendung einer mit Öffnungen versehenen Schablone. Optional kann die Paste nach dem Auftragen entweder dauerhaft pastös bleiben, oder teilweise oder vollständig getrocknet werden, sofern die aufgetragene Paste ein Lösungsmittel enthält. Bei allen Varianten der Erfindung kann das Wärmeübergangsmaterial so ausgestaltet sein, dass es nach dem Auftragen auf die Wärmeableitfläche und - soweit dies vorgesehen ist auch nach dem teilweisen oder vollständigen Trocknen - wieder pastös wird, wenn es auf eine Temperatur von wenigstens 45°C erwärmt wird.
Nachfolgend werden die Prinzipien der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. In den Figuren bezeichnen, soweit nicht anders angegeben, gleiche Figuren gleiche Elemente mit gleicher oder äquivalenter Funktion. Es zeigen:

1 eine Seitenansicht eines Halbleitermoduls;
2 eine Ansicht der Unterseite des Halbleitermoduls gemäß 1 mit einer Wärmeableitfläche;
3 eine Ansicht der Unterseite des Halbleitermoduls gemäß den 1 und 2 nach dem Aufbringen eines Wärmeübergangsmaterials auf die Wärmeableitfläche;
4 eine Seitenansicht des Halbleitermoduls gemäß den 1 bis 3 nach dem Aufbringen des Wärmeübergangsmaterials auf die Wärmeableitfläche und vor der Montage des Schutzdeckels
5A eine Draufsicht auf die Oberseite eines an dem Halbleitermodul gemäß den 1 bis 4 unverlierbar montierbaren Schutzdeckels;
5B eine Ansicht des Schutzdeckels gemäß 5A von dessen Schmalseite;
5C eine perspektivische Ansicht des Schutzdeckels gemäß den 5A und 5B;
6 eine Seitenansicht des Halbleitermoduls gemäß 4 nach der Montage des Schutzdeckels;
7 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnittes des Schutzdeckels gemäß 5A in einer Schnittlinie A-A;
8A eine vergrößerte Ansicht des Abschnittes des Schutzdeckels gemäß 7 vor der Montage des Schutzdeckels an dem Halbleitermodul;
8B die Ansicht gemäß 8A nach der Montage des Schutzdeckels an dem Halbleitermodul;
8C eine vergrößerte Ansicht eines Abschnittes des Schutzdeckels gemäß 5A in einer durch einen Vorsprung des Schutzdeckels verlaufenden Schnittlinie B-B vor der Montage des Schutzdeckels an dem Halbleitermodul;
9A eine der Ansicht gemäß 8C entsprechende Ansicht mit einem Abschnitt eines Schutzdeckels, bei dem der Vorsprung eine Rastnase aufweist;
9B die Anordnung gemäß 9A nach dem Verrasten des Schutzdeckels mit dem Halbleitermodul;
9C eine Anordnung entsprechend 9B, bei der die Rastnase als Pilzkopf ausgebildet ist;
10 eine Seitenansicht eines Halbleitermoduls und eines an diesem montierbaren Schutzdeckels, der keinen Vorsprung aufweist, mit dem er unverlierbar an dem Halbleitermodul befestigt werden kann;
11A eine Draufsicht auf die Oberseite des Schutzdeckels gemäß 10;
11B eine Ansicht des Schutzdeckels gemäß 11A von dessen Schmalseite;
11C eine perspektivische Ansicht des Schutzdeckels gemäß den 11A und 11B;
12A eine vergrößerte Ansicht eines Abschnittes des Schutzdeckels gemäß 11A in einer Schnittebene durch eine Schnittlinie C-C vor dem Verkleben des Schutzdeckels mit einem Halbleitermodul;
12B eine Draufsicht auf den Schutzdeckel gemäß 11A nach dem Aufbringen des Klebemittels auf den Schutzdeckel;
12C die Ansicht gemäß 12A nach dem Verkleben des Schutzdeckels mit dem Halbleitermodul unter Verwendung des Klebemittels;
13A die Anordnung gemäß 6 während des Abziehens des Schutzdeckels von dem Halbleitermodul;
13B das in 13A gezeigte Halbleitermodul nach Entfernen des Schutzdeckels und vor der Montage des Halbleitermoduls an einem Kühlkörper;
13C die Anordnung gemäß 13B nach der Montage des Halbleitermoduls an dem Kühlkörper;
14A eine Seitenansicht einer Anordnung, die sich von der Anordnung gemäß 4 dadurch unterscheidet, dass der Schutzdeckel Vorsprünge aufweist, die dazu ausgebildet sind, in Aussparungen eines Kunststoffgehäuses des Halbleitermoduls einzugreifen;
14B eine Seitenansicht eines vergrößerten Abschnittes der Anordnung gemäß 14A nach der Montage des Schutzdeckels an dem Halbleitermodul;
15A eine Seitenansicht einer Anordnung, die sich von der Anordnung gemäß 4 dadurch unterscheidet, dass der Schutzdeckel einen umlaufenden, ringförmig geschlossenen Rand aufweist, der das Halbleitermodul im montierten Zustand an dessen Unterseite seitlich umgreift;
15B einen Vertikalschnitt durch den in 15A gezeigten Schutzdeckel; und
15C eine Seitenansicht der Anordnung gemäß 15A nach der Montage des Schutzdeckels an dem Halbleitermodul.

1 zeigt eine Seitenansicht eines Halbleitermoduls 10. Das Halbleitermodul 10 weist eine Oberseite 10t auf, sowie eine Unterseite 10b. Die Oberseite 10t ist in einer vertikalen Richtung v von der Unterseite 10b beabstandet. In der vertikalen Richtung v besitzt das Halbleitermodul 10 eine erste maximale Dicke D10. Die erste maximale Dicke D10 ist dabei über alles einschließlich der moduleigenen elektrischen Anschlüsse. Das Halbleitermodul 10 weist ein Gehäuse 15 auf, das aus beispielsweise aus Kunststoff bestehen kann. Das Halbleitermodul 10 besitzt außerdem eine metallische Bodenplatte 12 mit einer Unterseite 12b. Bei dem gezeigten Beispiel
Ein Abschnitt der Unterseite 10b des Halbleitermoduls stellt eine Wärmeableitfläche 11 dar, auf die ein Wärmeübergangsmaterial aufgetragen werden kann. Wie bei diesem Halbleitermodul 10 beispielhaft gezeigt ist, kann die Wärmeableitfläche 11 außerdem durch einen Abschnitt der Unterseite 12b der Bodenplatte gebildet sein.
In dem Gehäuse 15 kann mindestens ein über die Wärmeableitfläche 11 zu kühlender Leistungshalbleiterchip angeordnet sein. Bei derartigen Leistungshalbleiterchips kann es sich beispielsweise um IGBTs, MOSFETs, J-FETs, Thyristoren, Dioden oder beliebige andere Leistungshalbleiterbauelemente, auch in beliebigen Kombinationen miteinander, handeln.
2 zeigt die Unterseite10b dieses Halbleitermoduls 10. In dieser Ansicht ist erkennbar, dass die Bodenplatte 12 optional mehrere Aussparungen 14 aufweisen kann. Derartige Aussparungen können zum Beispiel als Durchgangsbohrungen oder als Sacklöcher in der Bodenplatte 12 ausgebildet sein.
3 zeigt das Halbleitermodul 10 in der Ansicht gemäß 2 nach dem Auftragen eines Wärmeübergangsmaterials 50. In dem gezeigten Beispiel ist der Auftrag strukturiert. Er weist mehrere Gruppen mit jeweils einer Anzahl von Segmenten auf. Grundsätzlich ist die Art und Weise des Auftrages des Wärmeübergangsmaterials 50 jedoch beliebig. So kann das Wärmeübergangsmaterial 50 beispielsweise auch als einzige, zusammenhängende Schicht mit konstanter oder veränderlicher Dicke aufgetragen sein.
4 zeigt nochmals das Halbleitermodul 10 in der Seitenansicht gemäß 1, jedoch mit dem gemäß 3 auf die Wärmeableitfläche 11 aufgetragenen Wärmeübergangsmaterial 50, sowie mit einem Schutzdeckel 20, der unverlierbar an dem Halbleitermodul 10 montiert werden kann. Hierzu kann der Schutzdeckel 20 optional eine Anzahl N ≥ 1 Vorsprünge 21 aufweisen, von denen jeder unter Ausbildung einer formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindung in eine korrespondierende Aussparung 14 (siehe 2) des Halbleitermoduls 10 eingesetzt werden kann.
Der Schutzdeckel 20 weist außerdem einen oder mehrere wannenförmige Abschnitte 25 auf, die nach der Montage des Schutzdeckels 20 an dem Halbleitermodul 10 das auf die Wärmeableitfläche 11 aufgetragene Wärmeübergangsmaterial 50 gegen eine Berührung von außen schützen. Außerdem ist ein jeder wannenförmige Abschnitt 25 so ausgestaltet, dass der montierte Schutzdeckel 20 das aufgetragene Wärmeübergangsmaterial 50 nicht berührt. Ein jeder wannenförmige Abschnitt 25 kann außerdem frei von Durchgangsöffnungen sein, um die Gefahr einer Verschmutzung des aufgetragenen Wärmeübergangsmaterials 50 zu vermeiden.
5A zeigt eine Draufsicht auf die Oberseite des an dem Halbleitermodul 10 unverlierbar montierbaren Schutzdeckels 20, 5B eine Ansicht des Schutzdeckels von dessen Schmalseite, und 5C eine perspektivische Ansicht.
Ein Schutzdeckel 20 kann - bei dieser wie bei allen anderen Ausgestaltungen - grundsätzlich aus einem beliebigen festen Material hergestellt sein. Zum Beispiel kann der Schutzdeckel 20 aus einem homogenen, einheitlichen Material gebildet sein. Ein Schutzdeckel 20 kann zum Beispiel auf einfache Weise durch Spritzgießen oder Heißumformen aus Kunststoff hergestellt sein. Ebenso kann ein Schutzdeckel 20 auch aus Metall bestehen, oder er kann metallische Bestandteile und/oder Bestandteile aus Kunststoff aufweisen.
Bei dem Kunststoff, aus dem ein Schutzdeckel 20 besteht oder den ein Schutzdeckel 20 aufweist, kann es sich beispielsweise um PS (Polystyrol), PS EL (elektrisch leitendes Polystyrol), PET (Polyethylenterephthalat) oder dergleichen handeln.
Grundsätzlich kann ein Schutzdeckel 20, insbesondere auch bevor er unverlierbar an einem Halbleitermodul 10 montiert wird, einstückig ausgebildet sein.
6 zeigt eine Seitenansicht des Halbleitermoduls 10 gemäß 4 nach der Montage des Schutzdeckels 20 an dem Halbleitermodul 10. Hierzu wurde ein jeder der Vorsprünge 21 unter Ausbildung einer formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindung in eine korrespondierende Aussparung 14 (siehe 2) des Halbleitermoduls 10 eingesetzt.
7 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Abschnittes des Schutzdeckels 20 gemäß 5A in einem Schnitt im Bereich einer durch eine der wannenförmigen Abschnitte 25 verlaufenden Schnittlinie A-A. In der vertikalen Richtung v weist der Schutzdeckel 20 eine zweite maximale Dicke D20 auf. Diese zweite maximale Dicke D20 kann bei dieser wie bei beliebigen anderen Ausgestaltungen des Schutzdeckels 20 im Vergleich zur ersten maximalen Dicke D10 des Halbleitermoduls 10 gering gewählt werden. Beispielsweise kann die zweite maximale Dicke D20 höchstens 40 % der ersten maximalen Dicke D10 betragen, und/oder sie kann kleiner oder gleich 15 mm sein. Alternativ oder zusätzlich kann die erste maximale Dicke D10 wenigstens 10 mm betragen. Die genannten Kriterien für D10 und D20 gelten sowohl für den Zustand, in dem der Schutzdeckel 20 unverlierbar an dem Halbleitermodul 10 montiert ist, als auch im unmontierten Zustand.
Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass der Schutzdeckel 20, wenn er an dem Halbleitermodul 10 montiert ist, das Halbleitermodul 10 in jeder zur vertikalen Richtung v senkrechten Richtung nicht oder um nicht mehr als 2 mm überragt.
Durch eine geringe Dicke D20 und/oder durch eine geringes seitliches Überragen kann erreicht werden, dass die Einheit mit dem Halbleitermodul 10 und dem daran montierten Schutzdeckel 20 nur geringfügig mehr Raum einnimmt als das Halbleitermodul 10 selbst, so dass zum Transport der Einheit im Idealfall dieselben Transportverpackungen verwendet werden können, wie sie bislang zum Transport nur des Halbleitermoduls eingesetzt wurden.
8A zeigt nochmal den Abschnitt des Schutzdeckels 20 gemäß 7, jedoch vor dessen Montage an dem Halbleitermodul 10, wobei zur Vereinfachung lediglich ein Abschnitt der Bodenplatte 12 des Halbleitermoduls 10 mit dem darauf aufgetragenen Wärmeübergangsmaterial 50 dargestellt ist.
Wie in 8A ebenfalls gezeigt ist, kann eine massive metallische Bodenplatte 12 in der vertikalen Richtung v eine Dicke D12 aufweisen, die - bei diesem ebenso wie bei allen anderen Ausgestaltungen eines Halbleitermoduls 10 mit einer massiven metallischen Bodenplatte 12 - beispielsweise wenigstens 1mm betragen kann.
8B zeigt die Anordnung nach der Montage des Schutzdeckels 20 an dem Halbleitermodul 10. Optional kann bei montiertem Schutzdeckel 20 ein Abschnitt einer der Wärmeableitfläche 11 gegenüberliegenden, der Unterseite 10b zugewandten Oberseite 20t des Schutzdeckels 20 von der Wärmeableitfläche 11 einen Abstand d1 von wenigstens 1 mm aufweisen.
Ebenfalls optional kann bei montiertem Schutzdeckel 20 und bei auf die Wärmeableitfläche 11 aufgetragenem Wärmeübergangsmaterial 50 ein Abschnitt einer dem Wärmeübergangsmaterial 50 gegenüberliegenden und der Unterseite 10b zugewandten Oberseite 20t des Schutzdeckels 20 von dem Wärmeübergangsmaterial 50 einen Abstand d2 von wenigstens 1 mm aufweisen.
Die genannten Untergrenzen für d1 und d2 können optional auch höher gewählt werden, beispielsweise wenn der Schutzdeckel 20 aufgrund des verwendeten Materials, der verwendeten Materialstärke oder der gewählten Geometrie sehr flexibel ist, oder wenn einfach nur ein höherer Sicherheitsabstand zwischen dem Wärmeübergangsmaterial 50 und dem Schutzdeckel 20 angestrebt wird, oder wenn die Möglichkeit geschaffen werden soll, das Wärmeübergangsmaterial 50 mit einer größeren Dicke auf die Wärmeableitfläche 11 aufzutragen. So kann beispielsweise d1 auch größer oder gleich 3 mm oder sogar größer oder gleich 5 mm gewählt werden. Ebenso kann auch d2 größer oder gleich 3 mm oder sogar größer oder gleich 5 mm gewählt werden.
8C zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Abschnittes des Schutzdeckels 20 gemäß 5A in einer Schnittebene durch eine Schnittlinie B-B vor der Montage des Schutzdeckels 20 an dem Halbleitermodul 10. Die Schnittebene verläuft durch einen der Vorsprünge 21, sowie durch eine der Aussparungen 14 der Bodenplatte 12. In dieser gemeinsamen Schnittebene besitzt der Vorsprung 21 senkrecht zur vertikalen Richtung v eine Breite D21. Die Aussparung 14 besitzt - ebenfalls in dieser Schnittebene und senkrecht zur vertikalen Richtung v - eine Weite W14, die kleiner ist als die Breite D21, so dass der Vorsprung 21 gegenüber der Aussparung 14 ein Übermaß aufweist. Durch Einpressen des Vorsprungs 21 in die Aussparung 14 entsteht zwischen dem Vorsprung 21 und der Aussparung 14 und damit zwischen dem Schutzdeckel 20 und dem Halbleitermodul 10 eine kraftschlüssige Verbindung, durch die der Schutzdeckel 20 unverlierbar mit dem Halbleitermodul 10 verbunden ist.
9A zeigt eine der Ansicht gemäß 8C entsprechende Ansicht mit einem Abschnitt eines Schutzdeckels 20, bei dem der Vorsprung 21 eine Rastnase 22 aufweist. Im Bereich der Rastnase 22 weist der Vorsprung 21 gegenüber der Aussparung 14 ein Übermaß auf.
9B zeigt die Anordnung gemäß 9A nach dem Einpressen des Vorsprungs 21 in die Aussparung 14 und nach dem Verrasten der Rastnase 22 und damit des Schutzdeckels 20 mit dem Halbleitermodul 10.
Gemäß einer alternativen, in 9C gezeigten Ausgestaltung kann eine Rastnase 22 beispielsweise auch dadurch realisiert werden, dass der Vorsprung als Pilzkopf ausgebildet ist.
10 zeigt eine Seitenansicht eines mit einer Wärmeübergangsmaterial 50 versehenen Halbleitermoduls 10 und eines an diesem montierbaren Schutzdeckels 20, der - anders als die vorangehend erläuterten Schutzdeckel 20 - keinen Vorsprung 21 aufweist, mit dem er unverlierbar an dem Halbleitermodul 10 befestigt werden kann. Statt dessen wird der Schutzdeckel 20 mit dem Halbleitermodul 10 verklebt. Hierzu weist der Schutzdeckel 20 eine Kontaktfläche 23 auf, wobei der Schutzdeckel 20 derart an die Unterseite 10b des Halbleitermoduls 10 angelegt werden kann, dass ein jeder Punkt der Kontaktfläche 23 das Halbleitermodul 10 kontaktiert. Das bedeutet, dass die Kontaktfläche 23 vollflächig an der Unterseite 10b des Halbleitermoduls 10 aufliegt. Durch diese Ausgestaltung lässt sich der Deckel 20 auf einfache Weise mit dem Halbleitermodul 10 mit Hilfe eines Klebemittels verkleben und dadurch unverlierbar mit diesem verbinden. Die Kontaktfläche 23 kann dabei als länglicher Streifen ausgebildet sein, der beispielsweise eine Breite B23 von wenigstens 0,25 mm oder von wenigstens 4 mm aufweisen kann.
11A zeigt eine Draufsicht auf die Oberseite 23 des in 10 dargestellten Schutzdeckels 20, 11B eine Ansicht von dessen Schmalseite, und 11C eine perspektivische Ansicht.
Eine vergrößerte Schnittansicht eines Abschnittes des Schutzdeckels 20 gemäß 11A entlang einer Schnittlinie C-C ist in 12A dargestellt. Ebenfalls gezeigt sind ein Abschnitt einer Bodenplatte 12 des Halbleitermoduls 10, sowie ein Teil eines auf die Kontaktfläche 11 aufgebrachten Wärmeübergangsmaterials 50. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die weiteren Bestandteile des Halbleitermoduls 10 nicht gezeigt. Zwischen dem Halbleitermodul 10 und dem Schutzdeckel 20 ist noch schematisch ein Klebemittel 40 dargestellt, mittels dem der Schutzdeckel 20 unverlierbar mit dem Halbleitermodul 10 verklebt wird. Das Klebemittel 40 kann vor dem Aneinanderfügen des Halbleitermoduls 1 und des Schutzdeckels 20 auf die Kontaktfläche 23 des Schutzdeckels 20 und/oder auf die Auflagefläche der Kontaktfläche auf dem Halbleitermodul 10 aufgebracht werden. Als Klebemittel 40 können prinzipiell beliebige Klebemittel eingesetzt werden, die sich wieder lösen lassen, wenn der Schutzdeckel 20, beispielsweise zur Montage des Halbleitermoduls 10 an einem Kühlkörper, wieder von dem Halbleitermodul 10 abgenommen werden soll. Als Klebemittel 40 kann beispielsweise ein Klebstoff mit einem flüchtigen organischen Lösemittel verwendet werden, oder ein Leim, also eine wässrige Klebstofflösung. Grundsätzlich geeignet sind auch Schmelzkleber, also heißschmelzende Klebstoffe, die bei Raumtemperatur fest sind und bei Temperaturen deutlich über Raumtemperatur aufzuschmelzen beginnen.
Eine mögliche Ausgestaltung eines Klebemittels 40 besteht in einem Kleber, dessen Klebekraft mit zunehmender Temperatur abnimmt, so dass das Abziehen des Schutzdeckels 20 von dem Halbleitermodul 10 auf einfache Weise durch Erwärmen des Klebemittels 40 unterstützt werden kann. Ein derartiger Kleber kann als solcher eingesetzt werden, aber auch doppelseitig aufgetragen auf einen flachen Trägerstreifen, so dass der doppelseitig mit dem Kleber beschichtete Trägerstreifen derart als Klebestreifen eingesetzt werden kann, dass dessen eine Seite mit dem Halbleitermodul 10 und die andere Seite mit dem Schutzdeckel 20 verklebt werden kann.
Ebenso kann auch ein Klebemittel 40 verwendet werden, das so auf das Material der zu verklebenden Kontaktfläche des Halbleitermoduls 10 abgestimmt ist, dass es beim Abziehen des Schutzdeckels 20 von dem Halbleitermodul 10 vollständig an dem Schutzdeckel 20 verbleibt und das Halbleitermodul 10 frei von Klebstoffresten ist.
Eine weitere mögliche Ausgestaltung eines Klebemittels 40 besteht in einem Kleber, der beim Entfernen des Schutzdeckels 20 von dem Halbleitermodul 10 bricht.
12B zeigt eine Draufsicht auf den Schutzdeckel gemäß 11A nach dem Aufbringen des Klebemittels 40 auf die Kontaktfläche 23 des Schutzdeckels 20, und 12C die Ansicht gemäß 12A nach dem Verkleben des Schutzdeckels 20 mit dem Halbleitermodul 10 unter Verwendung des Klebemittels 40.
Um ein zunächst mit einem Wärmeübergangsmaterial 50 und danach mit einem Schutzdeckel 20 versehenes Halbleitermodul 10 an einem Kühlkörper 30 zu montieren, wird zunächst der Schutzdeckel 20 von dem Halbleitermodul 10 entfernt, was beispielsweise durch Abziehen des Schutzdeckels 20 von dem Halbleitermodul 10 erfolgen kann. Hierbei kann optional auch das Klebemittel 40 von dem Halbleitermodul 10 ganz oder teilweise entfernt werden. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, das Klebemittel 40 ganz oder teilweise auf dem Halbleitermodul 10 zu belassen, soweit dies die jeweilige Applikation zulässt. In jedem Fall liegt das Wärmeübergangsmaterial 50 nach dem Entfernen des Schutzdeckels 20 frei, so dass das Halbleitermodul 10 derart auf den Kühlkörper 30 aufgesetzt werden kann (in 13B durch einen Pfeil dargestellt), dass das Wärmeübergangsmaterial 50 den Kühlkörper 30 kontaktiert, was im Ergebnis in 13C gezeigt ist. Zum Verbinden des Halbleitermoduls 10 mit dem Kühlkörper 30 können beliebige Verbindungstechniken, beispielsweise Verschrauben oder Verrasten, eingesetzt werden.
Bei den vorangehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 9B erläuterten Beispielen waren die Aussparungen 14 zur Aufnahme der Vorsprünge 21 in einer massiven Bodenplatte 12 des Halbleitermoduls 10 vorgesehen. Allerdings lässt sich das erfindungsgemäße Prinzip auch bei einem so genannten „bodenplattenlosen“ Halbleitermodul 10 realisieren, d.h. bei einem Halbleitermodul 10, bei dem die Wärmeableitfläche 11 nicht durch einen Abschnitt einer Unterseite 12b einer massiven Bodenplatte 12 (d.h. einer Bodenplatte 12 großer Dicke D12) gebildet wird.
Wie in 14A gezeigt ist, kann das Halbleitermodul 10 anstelle einer derartigen massiven Bodenplatte 12 auch einen als dünnes Plättchen ausgebildeten dielektrischen Isolationsträger 16 (14B) aufweisen, der auf seiner der Oberseite 10t des Halbleitermoduls 10 abgewandten Unterseite 16b mit einer dünnen Metallisierungsschicht 13 versehen ist. Ein Abschnitt der dem Isolationsträger 16 abgewandten Unterseite 13b der dünnen Metallisierungsschicht 13 bildet in diesem Fall die Wärmeableitfläche 11. Die dünne Metallisierungsschicht 13 weist in der vertikalen Richtung v eine Dicke D13 auf, die beispielsweise kleiner oder gleich 3 mm sein kann.
Der dielektrische Isolationsträger 16 kann optional als dünnes Keramikplättchen ausgebildet sein, das beispielsweise aus Aluminiumoxid (Al2O3), aus Aluminiumnitrid (AIN) oder aus Siliziumnitrid (Si3N4) oder einer beliebigen anderen elektrisch isolierenden Keramik bestehen kann. Die dünne Metallisierungsschicht 13 kann zum Beispiel aus Kupfer, aus Aluminium, aus einer Legierung mit zumindest einem dieser Metalle, oder aus einem beliebigen anderen Metall bestehen.
Da bei einer derartigen Ausgestaltung keine massive Bodenplatte 12 vorhanden ist, in die Aussparungen 14 zur Aufnahme von Vorsprüngen 21 eines Schutzdeckels 20 eingebracht werden können, sind die Aussparungen 14 in dem Gehäuse 15 des Halbleitermoduls 10 vorgesehen. 14B zeigt einen vergrößerten Abschnitt der Anordnung gemäß 14A, wobei das Gehäuse 15 im linken Teil der Figur teilweise aufgebrochen dargestellt ist, um zu zeigen, wie ein Vorsprung 21 des Schutzdeckels 20 kraftschlüssig in eine Aussparung 14 im Gehäuse 15 eingepresst ist. In dem gezeigten Beispiel ist die Aussparung 14 als Sackloch in dem Gehäuse 15 angeordnet.
Davon abweichend könnte die Aussparung 14 jedoch auch als Durchgangsöffnung in dem Gehäuse ausgebildet sein, beispielsweise wenn dieses einen Flansch aufweist, durch den hindurch sich die Aussparung 14 erstreckt. Bei einer als Durchgangsöffnung ausgebildeten Aussparung 14 könnte der Vorsprung 21 - ebenso wie dies vorangehend anhand der 9A und 9B erläutert wurde - eine Rastnase 22 aufweisen, die nach dem Einführen des Vorsprungs 21 in die Aussparung 14 unter Ausbildung einer formschlüssigen Verbindung zwischen dem Halbleitermodul 10 und dem Schutzdeckel 20 mit dem Gehäuse 15 verrastet.
Um bei einem unverlierbar an einem Halbleitermodul 10 montierten Schutzdeckel 20 einen großen Spalt zwischen dem Halbleitermodul 10 und dem Schutzdeckel 20 zu vermeiden, kann der Schutzdeckel 20 einen umlaufenden, ringförmig geschlossenen Rand 24 aufweisen, der im montierten Zustand der Außenkontur des Halbleitermoduls 10, beispielsweise der Außenkontur einer Bodenplatte 12, folgt, und durch den der Schutzdeckel 20 das Halbleitermodul 10 an dessen Unterseite 10b seitlich umgreift. Ein Beispiel hierfür ist in den 15A bis 15C dargestellt. Die Anordnung gemäß 15A unterscheidet sich von der Anordnung gemäß 4 lediglich dadurch, dass der Schutzdeckel 20 zusätzlich einen umlaufenden Rand 24 aufweist. Zur Verdeutlichung des umlaufenden Randes 24 zeigt 15B einen Vertikalschnitt durch den Schutzdeckel 20. In 15C ist der Schutzdeckel 20 bereits an dem Halbleitermodul 10 montiert. Aufgrund des umlaufenden Randes 24 umgreift der Schutzdeckel 20 die an der Unterseite 10b des Halbleitermoduls 10 befindlichen Ränder und damit auch den Spalt zwischen der Unterseite 10b und dem Schutzdeckel 20. Ein umlaufender Rand 24 eines Schutzdeckels 20 lässt sich auch bei sämtlichen anderen Ausgestaltungen der Erfindung realisieren.
Bei allen Ausgestaltungen der Erfindung kann die Wärmeableitfläche 11 eben sein. Die vertikale Richtung v verläuft dann senkrecht zur Wärmeableitfläche 11.
Ebenfalls besteht bei allen Ausgestaltungen der Erfindung die Möglichkeit, den Schutzdeckel 20 so auszugestalten, dass er beim Entfernen vom Halbleitermodul 10 zwingend zerstört, beispielsweise zerrissen und/oder dauerhaft zerknittert wird. Hierdurch kann überprüfbar gewährleistet werden, dass der Schutzdeckel 20 nach seinem ersten Anbringen an dem Halbleitermodul 10 nicht schon einmal entfernt und dann wieder angebracht wurde.
Weiterhin kann ein Schutzdeckel 20 bei sämtlichen Ausgestaltungen mechanisch stabilisiert werden, beispielsweise indem er mit Versteifungskonturen versehen wird. Eine derartige Versteifungskontur kann beispielsweise dadurch gegeben sein, dass ein jeder wannenförmige Abschnitt 25 eine achteckige Grundfläche aufweist, wie dies beispielsweise in den 5A, 5C, 11A, 11C und 12B gezeigt ist.
Bei den vorangehend erläuterten Beispielen war der Schutzdeckel 20 jeweils mit vier wannenförmigen Abschnitten 25 versehen. Grundsätzlich kann ein Schutzdeckel 20 jedoch auch nur genau einen, genau zwei, genau drei, genau fünf, genau sechs oder mehr als sechs wannenförmige Abschnitte 25 aufweisen. Bei mehreren wannenförmigen Abschnitten 25 eines Schutzdeckels 20 können diese beispielsweise in einer einzigen Reihe hintereinander angeordnet sein, aber auch matrixartig in wenigstens zwei Reihen und wenigstens zwei Spalten.

Claims

Halbeitermodulanordnung umfassend: ein Halbleitermodul (10) das eine Unterseite (10b) mit einer Wärmeableitfläche (11) aufweist, sowie eine der Unterseite (10b) entgegengesetzte Oberseite (10t), die in einer vertikalen Richtung (v) von der Unterseite (10b) beabstandet ist; ein Wärmeübertragungsmaterial (50), das strukturiert oder unstrukturiert auf die Wärmeableitfläche (11) aufgebracht ist; und einen Schutzdeckel (20), der derart unverlierbar an dem Halbleitermodul (10) montiert ist, dass im montierten Zustand die Oberseite (10t) frei liegt und der Schutzdeckel (20) die Wärmeableitfläche (11) überdeckt; und der Schutzdeckel (20) mit dem Halbleitermodul (10) verrastet oder verklebt und dadurch unverlierbar an dem Halbleitermodul (10) montiert ist und von dem Wärmeübertragungsmaterial (50) beabstandet ist und dieses nicht berührt.
Halbleitermodulanordnung nach Anspruch 1, bei der das Halbleitermodul (10) in der vertikalen Richtung (v) eine erste maximale Dicke (D10) aufweist; der Schutzdeckel (20) im montierten Zustand in der vertikalen Richtung (v) eine zweite maximale Dicke (D20) aufweist, die kleiner oder gleich 15 mm ist und/oder die höchstens 40 % der ersten maximalen Dicke (D10) beträgt.
Halbleitermodulanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Schutzdeckel (20) im montierten Zustand in jeder zur Wärmeableitfläche (11) parallelen Richtung das Halbleitermodul (10) nicht oder um nicht mehr als 2 mm überragt.
Halbleitermodulanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der bei montiertem Schutzdeckel (20) ein Abschnitt einer der Wärmeableitfläche (11) gegenüberliegenden und der Unterseite (10b) zugewandten Oberseite (20t) des Schutzdeckels (20) von der Wärmeableitfläche (11) einen Abstand (d1) von wenigstens 1 mm aufweist.
Halbleitermodulanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Wärmeableitfläche (11) durch einen Abschnitt einer der Oberseite (10t) des Halbleitermoduls (10) abgewandten Unterseite (12b) einer metallischen Bodenplatte (12) des Halbleitermoduls (10) gebildet wird, die in der vertikalen Richtung (v) eine Dicke (D12) von wenigstens 1 mm aufweist.
Halbleitermodulanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Halbleitermodul (10) einen als dünnes Plättchen ausgebildeten dielektrischen Isolationsträger (16) aufweist, der auf seiner der Oberseite (10t) des Halbleitermoduls (10) abgewandten Unterseite (16b) mit einer Metallisierungsschicht (13) versehen ist; und die Wärmeableitfläche (11) als Abschnitt der dem Isolationsträger (16) abgewandten Unterseite (13b) der Metallisierungsschicht (13) gebildet ist.
Halbleitermodulanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Schutzdeckel (20) dadurch unverlierbar mit dem Halbleitermodul (10) montiert ist, dass der Schutzdeckel (20) eine Anzahl N ≥ 1 Vorsprünge (21) aufweist, von denen jeder unter Ausbildung einer formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindung in eine korrespondierende Aussparung (14) des Halbleitermoduls (10) eingesetzt ist.
Halbleitermodulanordnung nach Anspruch 7, bei der ein jeder der Vorsprünge (21) im unmontierten Zustand gegenüber der korrespondierenden Aussparung (14) ein Übermaß aufweist; und/oder ein jeder der Vorsprünge (21) eine Rastnase (22) aufweist, die im montierten Zustand mit dem Halbleitermodul (10) verrastet.
Halbleitermodulanordnung nach Anspruch 7 oder 8, bei der eine jede korrespondierende Aussparung (14) als Durchgangsöffnung oder als Sackloch einer metallischen Bodenplatte (12) oder eines Kunststoffgehäuses (15) des Halbleitermoduls (10) ausgebildet ist.
Halbleitermodulanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Schutzdeckel (20) eine Kontaktfläche (23) aufweist und im unmontierten Zustand derart an die Unterseite (10b) des Halbleitermoduls (10) angelegt werden kann, dass die Kontaktfläche (23) vollflächig auf der Unterseite des Halbleitermoduls (10) aufliegt; und im montierten Zustand an der Kontaktfläche (23) mittels eines Klebemittels (40) mit dem Halbleitermodul (10) verklebt werden kann; wobei die Kontaktfläche (23) als länglicher Streifen ausgebildet ist, der eine Breite (B23) von wenigstens 0,25 mm aufweist.
Halbleitermodulanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Schutzdeckel (20) einen umlaufenden, ringförmig geschlossenen Rand (24) aufweist, der im montierten Zustand der Außenkontur des Halbleitermoduls (10) folgt und durch den der Schutzdeckel (20) im montierten Zustand das Halbleitermodul (10) an dessen Unterseite (10b) seitlich umgreift.
Halbleitermodulanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Wärmeableitfläche (13) eben ist.
Halbleitermodulanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Schutzdeckel (20) einstückig ausgebildet ist.
Halbleitermodulanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Schutzdeckel (20) Kunststoff aufweist oder aus Kunststoff besteht.
Halbleitermodulanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Schutzdeckel (20) aus einem homogenen, einheitlichen Material gebildet ist.
Halbeitermodulanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der ein dem Wärmeübergangsmaterial (50) gegenüberliegender Abschnitt der der Unterseite (10b) zugewandten Seite (20t) des Schutzdeckels (20) in der vertikalen Richtung (v) von dem Wärmeübergangsmaterial (50) einen Abstand (d2) von wenigstens 1 mm aufweist.
Halbeitermodulanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der ein dem Wärmeübergangsmaterial (50) gegenüberliegender Abschnitt der der Unterseite (10b) zugewandten Seite (20t) des Schutzdeckels (20) in der vertikalen Richtung (v) von der Unterseite (10b) des Halbleitermoduls (10) einen Abstand (d1) von wenigstens 1 mm aufweist.
Halbeitermodulanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Wärmeübergangsmaterial (50) als Wärmeleitpaste oder als Phasenwechselmaterial ausgebildet ist.
Verfahren zur Montage eines Halbeitermoduls an einem Kühlkörper mit folgenden Schritten: Bereitstellen einer nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildeten Halbeitermodulanordnung; Bereitstellen eines Kühlkörpers (30); Entfernen des Schutzdeckels (20) von dem Halbleitermodul (10); und Montieren des Halbleitermoduls (10) an dem Kühlkörper (30) derart, dass das Wärmeübergangsmaterial (50) den Kühlkörper (30) kontaktiert.