DE102015120111A1

DE102015120111A1 - Leistungshalbleitermodul

Info

Publication number: DE102015120111A1
Application number: DE102015120111.9A
Authority: DE
Inventors: Frank Osterwald; Jeppe Lund; Klaus Olesen; Rüdiger Bredtmann; Lars Paulsen; Jacek Rudzki; Michael Heydenreich; Aylin Bicakci; Ronald Eisele
Original assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Current assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Priority date: 2015-11-19
Filing date: 2015-11-19
Publication date: 2017-05-24

Abstract

Leistungshalbleitermodul (10) mit wenigstens einem auf einem Substrat (20) angeordneten elektrischen Bauelement (60) und einer das Substrat (20) und das wenigstens eine elektrische Bauelement (60) bedeckenden Vergussmasse (30), gekennzeichnet durch eine mit der Vergussmasse (30) verbundene, sich parallel zum Substrat (20) flächig erstreckende biegesteife Struktur (50), wobei die Vergussmasse (30) eine thermisch hochleitfähige Vergussmasse (30) ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit wenigstens einem auf einem Substrat angeordneten elektrischen Bauelement und einer das Substrat und das wenigstens eine elektrische Bauelement bedeckenden Vergussmasse.
Derartig ausgebildete Leistungshalbleitermodule sind in einer Vielzahl von Ausprägungen bekannt. Dabei dient die Vergussmasse unter anderem der Umhüllung und dem Schutz von Teilen gegen Eindringen von Feuchtigkeit, Staub, Fremdkörpern, Wasser, der elektrischen Isolation, d. h. der Erhöhung der Spannungsfestigkeit und dem Berührungsschutz, der Fixierung von Teilen untereinander, der Erhöhung der mechanischen und thermomechanischen Stabilität sowie der Vibrations- und Schockfestigkeit.
Wenngleich die Verformbarkeit thermoplastischer Vergussmassen erst das Umhüllen des Substrats ermöglicht, ist diese Eigenschaft insofern problematisch, dass die Vergussmasse in Abhängigkeit von der Temperatur verformbar bleibt und aufgrund der stoffschlüssigen Verbindung mit dem Substrat und den elektrischen Bauelementen auch zu einer Verformung des Substrats und/oder der elektrischen Bauelemente und zu deren Beschädigung führen kann.
Kühlkörper, die an die Leistungsmodule angebunden werden, können die Auswirkungen thermisch getriebener Belastungen und Fehlermechanismen verhindern. Eine übermäßige Temperaturbelastung der Vergussmasse und dadurch bedingte Fehlermechanismen können insbesondere verhindert werden, wenn die thermisch hochleitfähige Vergussmasse sehr gut an den Kühlkörper angebunden wird.
Hierbei besteht insbesondere bei der Anbindung der Kühlkörper an die Vergussmasse das Problem eines gleichmäßigen Wärmeübergangs, der nur sehr arbeitsaufwändig herzustellen ist. Eine inhomogene Wärmespreizung würde nämlich zu möglicherweise schädlichen Verformungen des Leistungshalbleitermoduls führen und ist daher zu vermeiden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Leistungshalbleitermodul mit einer Vergussmasse bereitzustellen, dass weniger aufwändig herzustellen und weitgehend frei von temperaturabhängigen Verformungen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Leistungshalbleitermodul mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
Grundgedanke der Erfindung ist es, mit der Vergussmasse eine homogene Wärmespreizung zu ermöglichen, und eine mit der Vergussmasse verbundene, sich parallel zum Substrat flächig erstreckende biegesteife Struktur vorzusehen.
Die Vergussmasse ist insbesondere ein thermisch hochleitfähiges Polymer. Die Vergussmasse kann auch ein thermisch hochleitfähiger anorganischer Stoff, beispielsweise ein Zement sein.
Die Vergussmasse kann insbesondere als das Bauelement und das Substrat umhüllende Umhüllungsmasse ausgebildet sein, die durch unterschiedliche kunststoffverarbeitende Verfahren, wie z.B. Spritzgießen, ausgeformt werden kann. Die biegesteife Struktur kann dabei mit der Vergussmasse/Umhüllungsmasse einseitig verbunden oder auch von der Vergussmasse/Umhüllungsmasse umhüllt sein.
Ziel der Erfindung ist bei einem Aufbau von Substrat und biegesteifer Struktur mit dazwischen angeordnetem thermisch hochleitfähigen Polymer eine Symmetrierung der durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten hervorgerufenen thermodynamischen Spannung zu erreichen und so einer thermomechanischen Belastung des Leistungshalbleitermoduls entgegenzuwirken.
In die Vergussmasse selbst können bevorzugt Kühlkanäle eingebracht werden, die durch ein darin fließendes Kühlmittel eine effektive Wärmeabfuhr bewirken.
Durch die Kombination einer hochwärmeleitfähigen Vergussmasse mit darin vorgesehenen Kühlkanälen, mit einem darin strömenden Kühlmedium (Gas oder Flüssigkeit) kann eine effektive Kühlung des Halbleitermoduls erreicht werden, ohne dass thermisch bedingte Verformungen der Vergussmasse auftreten oder ein zusätzlicher Kühlkörper notwendig ist.
Erfindungsgemäß weist das Leistungshalbleitermodul wenigstens ein auf einem Substrat angeordnetes elektrisches Bauelement und eine das Substrat und das wenigstens eine elektrische Bauelement bedeckende Vergussmasse auf, wobei eine mit der Vergussmasse verbundene, sich parallel zum Substrat flächig erstreckende biegesteife Struktur vorgesehen ist und die Vergussmasse (30) eine thermisch hochleitfähige Vergussmasse (30) ist.
Bevorzugt ist die thermisch hochleitfähige Vergussmasse ein thermisch hochleitfähiges Polymer oder ein thermisch hochleitfähiger Zement.
Besonders bevorzugt ist die biegesteife Struktur auf der Oberfläche der Vergussmasse angeordnet. Nach einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die biegesteife Struktur von der Vergussmasse umgossen ist. Ebenso kann eine symmetrische Anordnung von biegesteifen Strukturen beiderseits des Substrates mit dem wenigstens einen Bauelement vorgesehen sein.
Um eine flächige Ausbildung zu erreichen, kann die biegesteife Struktur als Gitter oder speziell als biegesteife Platte ausgebildet sein.
Weiter bevorzugt ist ein die Vergussmasse zwischen Substrat und biegesteifer Struktur wenigstens abschnittsweise durchziehender, zur Aufnahme eines Fluids eingerichteter Kühlkanal vorgesehen. Das Leistungshalbleitermodul weist also eine sich flächig erstreckende biegesteife Struktur auf, die auf der dem Substrat gegenüberliegenden Seite des Kühlkanals im Wesentlichen parallel zum Substrat angeordnet ist. Diese Struktur ermöglicht es Ausdehnungsunterschiede zwischen dem Substrat und der Vergussmasse bei der Herstellung des erfindungsgemäß vorgesehenen Leistungshalbleitermoduls zu kompensieren und einer Verformung bei Abkühlen der Vergussmasse bzw. durch Erwärmung beim Betrieb des Leistungsmoduls entgegenzuwirken.
Ein besonders Aufbau des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls kann erreicht werden, wenn der wenigstens eine Kühlkanal als zur Oberfläche der Vergussmasse offene, sich in die Vergussmasse erstreckende Vertiefung ausgebildet ist, die von der Platte verschlossen ist. Dabei kann die Platte nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung eine den Zugriff auf die Vergussmasse und oder den Kühlkanal erlaubenden Deckel aufweisen.
Um Verformungen des Leistungshalbleitermoduls während des Herstellungsprozesses entgegenzuwirken, weist die biegesteife Struktur bevorzugt einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Vergussmasse auf. Insbesondere liegt der Wärmeausdehnungskoeffizient der biegesteifen Struktur im Bereich des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrats.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der beigefügten Zeichnungen 1 dargestellten, besonders bevorzugt ausgestalteten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
1 zeigt ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung in einer geschnittenen Ansicht. Insbesondere zeigt 1 ein Leistungshalbleitermodul 10 mit einem Substrat 20, auf dem wenigstens ein elektrisches Bauelement 60 angeordnet ist, wobei das Substrat 20 und das wenigstens eine elektrische Bauelement 60 von einer Vergussmasse 30 bedeckt ist.
Ohne dass dieses näher dargestellt werden könnte, ist die Vergussmasse 30 ein thermisch hochleitfähiges Polymer.
Die aus dem Polymer bestehende Vergussmasse 30 ist bevorzugt von wenigstens einem zur Aufnahme eines Fluids eingerichteten Kühlkanal 40 durchzogen. Der Kühlkanal 40 kann die Vergussmasse 30 vollständig oder teilweise durchziehen und insbesondere mäandrierend ausgebildet sein. Alternativ kann auch eine Mehrzahl von Kühlkanälen 40 vorgesehen sein, die die Vergussmasse 30 linear oder mäandrierend durchziehen.
Das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel weist weiter eine sich flächig erstreckende als Platte ausgebildete, biegesteife Struktur 50, die auf der dem Substrat 20 gegenüberliegenden Seite des Kühlkanals 40 im Wesentlichen parallel zum Substrat 20 angeordnet ist.
Vorliegend ist der gezeigte Kühlkanal 40 als zur Oberfläche der Vergussmasse 30 offene, sich in die Vergussmasse 30 parallel zum Substrat 20 erstreckende Vertiefung ausgebildet ist, die von der Platte 50 verschlossen ist. Dadurch wird ein herstellungstechnisch einfacher Aufbau des Halbleitermoduls 10 ermöglicht.
Um dennoch Zugriff auf die Vergussmasse 30 unterhalb der Platte 50 beziehungsweise dem Kühlkanal 40 zu erhalten, ist ein Abschnitt der Platte 50 als Deckel ausgebildet, der den Kühlkanal 40 zwar grundsätzlich verschließt, zu Inspektionszwecken aber jederzeit geöffnet werden kann.

Claims

Leistungshalbleitermodul (10) mit wenigstens einem auf einem Substrat (20) angeordneten elektrischen Bauelement (60) und einer das Substrat (20) und das wenigstens eine elektrische Bauelement (60) bedeckenden Vergussmasse (30), gekennzeichnet durch eine mit der Vergussmasse (30) verbundene, sich parallel zum Substrat (20) flächig erstreckende biegesteife Struktur (50), wobei die Vergussmasse (30) eine thermisch hochleitfähige Vergussmasse (30) ist.
Leistungshalbleitermodul (10) nach Anspruch 1, wobei die thermisch hochleitfähige Vergussmasse (30) ein thermisch hochleitfähiges Polymer oder ein thermisch hochleitfähiger Zement ist.
Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die biegesteife Struktur (50) auf der Oberfläche der Vergussmasse (30) angeordnet ist.
Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die biegesteife Struktur (50) von der Vergussmasse (30) umgossen ist.
Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die biegesteife Struktur (50) eine biegesteife Platte (50) ist.
Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen die Vergussmasse (30) zwischen Substrat (30) und biegesteifer Struktur (50) wenigstens abschnittsweise durchziehenden, zur Aufnahme eines Fluids eingerichteten Kühlkanal (40).
Leistungshalbleitermodul (10) nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kühlkanal (40) als zur Oberfläche der Vergussmasse (30) offene, sich in die Vergussmasse (30) erstreckende Vertiefung ausgebildet ist, die von der Platte (50) verschlossen ist.
Leistungshalbleitermodul (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (50) einen den Zugriff auf die Vergussmasse (30) und oder den Kühlkanal (40) erlaubenden Deckel aufweist.
Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die biegesteife Struktur (50) einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Vergussmasse (30) hat.
Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine biegesteife Struktur (50) auf je einer dem Substrat (20) gegenüber liegenden Seite für eine Symmetrierung der mechanischen Struktur vorgesehen ist.