DE102018106176A1 - Leistungshalbleitereinrichtung mit einer Metallplatte und mit einem auf der Metallplatte angeordneten Substrat - Google Patents

Leistungshalbleitereinrichtung mit einer Metallplatte und mit einem auf der Metallplatte angeordneten Substrat Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leistungshalbleitereinrichtung (1) mit einer Metallplatte (2), mit einem auf der Metallplatte (2) angeordnetem Substrat (3), das eine Keramikplatte (3a) aufweist auf deren der Metallplatte (2) abgewandten ersten Hauptseite (3a') eine zu Leiterbahnen (3b') strukturierte erste Metallisierungsschicht (3b) aufgebracht ist, mit auf den Leiterbahnen (3b') angeordneten und mit diesen elektrisch leitend verbundenen Leistungshalbleiterbauelementen (4) und mit einem zwischen der Metallplatte (2) und dem Substrat (3) angeordneten Klebstoff (5), der einen jeweiligen mechanischen Kontakt zu einer ersten Hauptseite (3a",3c') des Substrats (3) und einer ersten Hauptseite (2a) der Metallplatte (2) aufweist und eine Klebeverbindung ausbildet, die das Substrat (3) mit der Metallplatte (2) stoffschlüssig verbindet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einer Metallplatte und mit einem auf der Metallplatte angeordneten Substrat.
  • Aus der DE 10 2016 104 283 A1 ist eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einer Metallplatte und mit einem auf der Metallplatte angeordneten Substrat bekannt, wobei das Substrat eine Keramikplatte aufweist und über eine Löt- oder Sinterschicht mit einer Grundplatte stoffschlüssig verbunden ist. Nachteilig dabei ist, dass bei der Herstellung der Verbindung des Substrats mit der Grundplatte, mittels einer Löt- oder Sinterschicht, die gesamte Anordnung einer hohen thermischen Belastung und im Falle einer Sinterschicht sogar zusätzlich noch einer erheblichen Druckbelastung ausgesetzt wird, die zu Rissen in der Keramikplatte führen kann.
  • Aus der DE 10 2016 205 178 A1 ist ein Substrat bekannt, dass mittels eines Klebstoffs mit einem Kühlkörper stoffschlüssig verbunden ist.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung eine einfach herstellbare zuverlässige Leistungshalbleitereinrichtung zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einer Metallplatte, mit einem auf der Metallplatte angeordnetem Substrat, das eine Keramikplatte aufweist auf deren der Metallplatte abgewandten ersten Hauptseite eine zu Leiterbahnen strukturierte erste Metallisierungsschicht aufgebracht ist, mit auf den Leiterbahnen angeordneten und mit diesen elektrisch leitend verbundenen Leistungshalbleiterbauelementen und mit einem zwischen der Metallplatte und dem Substrat angeordneten Klebstoff, der einen jeweiligen mechanischen Kontakt zu einer ersten Hauptseite des Substrats und einer ersten Hauptseite der Metallplatte aufweist und eine Klebeverbindung ausbildet, die das Substrat mit der Metallplatte stoffschlüssig verbindet.
  • Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die erste Hauptseite des Substrats durch eine der Metallplatte zugewandte zweite Hauptseite der Keramikplatte ausgebildet ist, da dann der thermische Widerstand der zweiten Metallisierungsschicht entfällt und die Leistungshalbleiterbauelemente somit thermisch sehr gut an die Metallplatte angekoppelt sind.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn auf einer der Metallplatte zugewandten zweiten Hauptseite der Keramikplatte eine zweite Metallisierungsschicht aufgebracht ist, deren der Metallplatte zugewandten Hauptseite die erste Hauptseite des Substrats ausbildet. Durch die zweite Metallisierungsschicht wird eine zusätzliche Wärmespreizung erzielt.
  • Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Dicke der aus dem Klebstoff zwischen dem Substrat und der Metallplatte ausgebildeten Klebstoffschicht 5µm bis 25µm beträgt. Hierdurch wird eine besonders gute thermische Ankopplung des Substrats an die Metallplatte erzielt.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die erste Hauptseite des Substrats und/oder die erste Hauptseite der Metallplatte eine gemittelte Rautiefe von größer als 1µm, insbesondere von größer als 10µm, aufweist. Hierdurch kann sich der Klebstoff besonders fest mit der jeweiligen Hauptseite verbinden.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die erste Hauptseite des Substrats und/oder die erste Hauptseite der Metallplatte eine Oberflächenkontur aufweist, die mittels in die jeweilige Hauptseite eingebrachter Vertiefungen, die jeweilig eine definierte geometrische Form ausweisen, gebildet ist, wobei die geometrische Form der jeweiligen Vertiefung derartig ausgebildet ist, dass die Querschnittsfläche der jeweiligen Vertiefung rechteckförmig, dreieckförmig, trapenzförmig oder ovalsegmentförmig ausgebildet ist. Hierdurch wird eine mechanisch besonders hoch belastbare Verbindung des Substrats mit der Metallplatte erzielt.
  • Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Verhältnis der Dicke der Metallplatte zur Dicke der Keramikplatte in einem Bereich von 0,5 bis 10, insbesondere in einem Bereich von 0,5 bis 5, insbesondere in einem Bereich von 0,5 bis 2, liegt, da dann die Metallplatte im Verhältnis zur Keramikplatte derartig dünn ausgebildet ist, dass bei einer Erwärmung der Keramikplatte und der Metallplatte, infolge der damit einhergehenden relativ leichtgängigen Aufwölbfähigkeit der Keramikplatte in Normelenrichtung der Keramikplatte, keine starken mechanischen Spannungen zwischen der Keramikplatte und der Metallplatte entstehen, wodurch die Gefahr eines Brechens der Keramikplatte stark reduziert wird.
  • Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Dicke der Keramikplatte 100µm bis 500µm beträgt, da dann die Keramikplatte eine gute mechanische Stabilität aufweist.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Klebstoff eine Wärmeleitfähigkeit von größer als 1 W/mK, insbesondere von größer als 2 W/mK, aufweist. Hierdurch wird eine gute thermische Ankopplung des Substrats an die Metallplatte erzielt.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Metallplatte Bestandteil eines Flüssigkeitskühlkörpers ist, wobei der Flüssigkeitskühlkörper einen von einer Flüssigkeit durchströmbaren Hohlraum aufweist, wobei die Metallplatte einen Teil des Hohlraums begrenzt, da dann im Betrieb der Leistungshalbleitereinrichtung die Wärme der Metallplatte direkt an ein an ihr vorbeiströmendes flüssiges Kühlmedium, z.B. Wasser, abgegeben wird.
  • In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Flüssigkeitskühlkörper einen Grundkörper aufweist, der eine derartige geometrische Form ausweist, dass er einen Teil des Hohlraums begrenzt, wobei die Metallplatte mit dem Grundkörper flüssigkeitsdicht verbunden ist, da dann der Kühlkörper besonders einfach ausgebildet ist.
  • In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Metallplatte mit dem Grundkörper einstückig ausgebildet ist, da dann die Metallplatte mit dem Grundkörper langzeitstabil flüssigkeitsdicht verbunden ist und die Metallplatte zusammen mit dem Grundkörper sehr rationell, z.B. mittels eines Extrusionsverfahrens als extrudiertes Werkstück, herstellbar ist und somit einer Massenfertigung leicht zugänglich ist.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Metallplatte eine von der ersten Hauptseite der Metallplatte und/oder von einer der ersten Hauptseite der Metallplatte gegenüberliegend angeordneten zweiten Hauptseite der Metallplatte in die Metallplatte hineinverlaufenden Materialschwächungsbereich aufweist, wobei der Materialschwächungsbereich um das Substrat herum verläuft. Der Materialschwächungsbereich erhöht die Leichtgängigkeit der Aufwölbfähigkeit der Keramikplatte in Normelenrichtungder Keramikplatte, so dass sich die Keramikplatte unter Einwirkung von noch weniger Kraftaufwand auswölben kann.
  • In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Materialschwächungsbereich im Bereich der Verbindung von der Metallplatte zum Grundkörper angeordnet ist. Hierdurch wird die Leichtgängigkeit der Aufwölbfähigkeit durch den Materialschwächungsbereich weiter erhöht.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Materialschwächungsbereich direkt am Rand der Metallplatte entlang oder am Rand der Metallplatte entlang, beanstandet zum Rand der Metallplatte, verläuft. Wenn der Materialschwächungsbereich direkt am Rand der Metallplatte entlang verläuft, ist der Materialschwächungsbereich besonders wirksam. Wenn der Materialschwächungsbereich am Rand der Metallplatte entlang, beanstandet zum Rand der Metallplatte, verläuft, dann kann die Metallplatte an ihrem Rand mit einem beliebigen Metallkörper mechanisch besonders belastbar verbunden werden.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Materialschwächungsbereich als Ausnehmung ausgebildet ist, da dann der Materialschwächungsbereich besonders einfach herstellbar ist.
  • In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Verhältnis der Tiefe der Ausnehmung zur Dicke der Metallplatte in einem Bereich von 0,1 bis 0,5, liegt, da zum einen sich dann die Metallplatte schon bei Einwirkung von sehr wenig Kraftaufwand auswölben kann und zum anderen die Metallplatte noch eine gute mechanische Stabilität aufweist.
  • Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Tiefe der Ausnehmung an Eckbereichen des Ausnehmungsverlaufs 10% bis 30% tiefer ist als an den übrigen Bereichen des Ausnehmungsverlaufs. Hierdurch wird der zum Auswölben der Metallplatte benötige Kraftaufwand weiter reduziert.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn von einer der ersten Hauptseite der Metallplatte gegenüberliegend angeordneten zweiten Hauptseite der Metallplatte ausgehend, Kühlpins oder Kühlfinnen weg verlaufen. Hierdurch wird eine besonders effiziente Kühlung der Metallplatte erzielt.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die unten stehenden Figuren erläutert. Dabei zeigen:
    • 1 eine Schnittansicht einer Ausbildung einer erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtu ng,
    • 2 eine Schnittansicht einer weiteren Ausbildung einer erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtu ng,
    • 3 eine Detailansicht von 1 und 2 bezüglich einer Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung,
    • 4 eine zu 1 und 2 zugehörige Draufsicht auf eine Ausbildung einer Metallplatte der erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung und auf ein auf der Metallplatte angeordnetes Substrat der Leistungshalbleitereinrichtung und
    • 5 eine Draufsicht auf eine weitere Ausbildung einer Metallplatte der erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung und auf ein auf der Metallplatte angeordnetes Substrat der Leistungshalbleitereinrichtung.
  • Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In 1 ist eine Schnittansicht einer Ausbildung einer erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung 1 dargestellt. In 2 ist eine Schnittansicht einer weiteren Ausbildung einer erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung 1 dargestellt.
  • Die jeweilige erfindungsgemäße Leistungshalbleitereinrichtung 1 weist eine Metallplatte 2 und ein auf der Metallplatte 2 angeordnetes Substrat 3 auf. Das Substrat 3 weist eine Keramikplatte 3a auf, auf deren der Metallplatte 2 abgewandten ersten Hauptseite 3a' eine zu Leiterbahnen 3b' strukturierte erste Metallisierungsschicht 3b aufgebracht ist. Die Leiterbahnen 3b' sind auf der Keramikplatte 3a voneinander beanstandet angeordnet. Die Leiterbahnen 3b' sind auf der Keramikplatte 3a voneinander elektrisch isoliert angeordnet. Das Substrat 3 kann z.B. als Direct Copper Bonded Substrat (DCB-Substrat) oder als Aktive Metal Brazing Substrat (AMB-Substrat) ausgebildet sein.
  • Die Leistungshalbleitereinrichtung 1 weist weiterhin auf den Leiterbahnen 3b' angeordnete und mit diesen elektrisch leitend verbundene Leistungshalbleiterbauelemente 4 auf. Die Leistungshalbleiterbauelemente 4 sind vorzugsweise stoffschlüssig, z.B. mittels einer zwischen den Leistungshalbleiterbauelementen 4 und den Leiterbahnen 3b' angeordneten Löt- oder Sinterschicht, die der Übersichtlichkeit halber in 1 und 2 nicht dargestellt ist, mit den Leiterbahnen 3b' elektrisch leitend verbunden. Das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement 4 liegt vorzugweise in Form eines Leistungshalbleiterschalters oder einer Diode vor. Der jeweilige Leistungshalbleiterschalter 4 liegt dabei vorzugsweise in Form eines Transistors, wie z.B. eines IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder in Form eines MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) oder Thyristors vor. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels sind die Leistungshalbleiterbauelemente 24 elektrisch, z.B. mittels eines elektrisch leitenden Folienverbunds oder Bonddrähten (in 1 und 2 nicht dargestellt), z.B. zu mindestens einer Halbbrückenschaltung, elektrisch verschalten, die z.B. zum Gleich- oder Wechselrichten von elektrischen Spannungen und Strömen verwendet werden kann.
  • Die Leistungshalbleitereinrichtung 1 weist weiterhin einen zwischen der Metallplatte 2 und dem Substrat 3 angeordneten Klebstoff 5 auf, der jeweils einen mechanischen Kontakt zu einer ersten Hauptseite 3a" (siehe 1) bzw. 3c' (siehe 2) des Substrats 3 und einer ersten Hauptseite 2a der Metallplatte 2 aufweist und eine Klebeverbindung ausbildet, die das Substrat 3 mit der Metallplatte 2 stoffschlüssig verbindet.
  • Bei der techniküblichen Verbindung des Substrats mit der Grundplatte, mittels einer Löt- oder Sinterschicht, wird die gesamte Anordnung einer hohen thermischen Belastung und im Falle einer Sinterschicht sogar zusätzlich noch einer erheblichen Druckbelastung ausgesetzt, was zu Rissen in der Keramikplatte führen kann. Im Gegensatz dazu ist die Herstellung der oben beschriebenen Klebeverbindung ohne eine hohe thermische Belastung und hohe Druckbelastung der Anordnung möglich. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist die erste Hauptseite des Substrats 3 durch eine der Metallplatte 2 zugewandte zweite Hauptseite 3a" der Keramikplatte 3 ausgebildet. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 2 weist das Substrat 3 gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 zusätzlich eine zweite Metallisierungsschicht 3c auf, die auf der der Metallplatte 2 zugewandten zweiten Hauptseite 3a" der Keramikplatte 3a aufgebracht ist und deren der Metallplatte 2 zugewandte Hauptseite 3c' die erste Hauptseite des Substrats 3 ausbildet. Die zweite Metallisierungsschicht 3c kann, wie beim Ausführungsbeispiel gemäß 2, unstrukturiert aber auch strukturiert ausgebildet sein. Ansonsten stimmt das Ausführungsbeispiel gemäß 2 mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 überein. Das Ausführungsbeispiel gemäß 1 hat gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 den Vorteil, dass einerseits der thermische Widerstand der zweiten Metallisierungsschicht 3c entfällt und die Leistungshalbleiterbauelemente 4 somit mit geringem thermischen Widerstand an die Metallplatte 2 angekoppelt sind und andererseits das Substrat 3 kostengünstiger ist. Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 hat gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 den Vorteil, dass durch die zweite Metallisierungsschicht 3c eine zusätzliche Wärmespreizung erzielt wird.
  • Die Metallplatte 4 kann, wie beim Ausführungsbeispiel, einstückig aber auch mehrstückig ausgebildet sein. Die Metallplatte 4 kann z.B. aus Kupfer, einer Kupferlegierung, Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet sein. Im Falle einer mehrstückig ausgebildeten Metallplatte 4 kann auf einer Grundmetallplatte der Metallplatte 4, die z.B. aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung bestehen kann, eine Verbindungmetallplatte der Metallplatte 4, die z.B. aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen kann, aufgebracht sein. Der Klebstoff 5 weist in diesem Fall einen mechanischen Kontakt mit der Verbindungsplatte der Metallplatte 4 auf.
  • Die Dicke d3 der aus dem Klebstoff 5 zwischen dem Substrat 3 und der Metallplatte 2 ausgebildeten Klebstoffschicht 5' beträgt vorzugsweise 5µm bis 25µm und ist somit im Vergleich zu der techniküblichen Löt- oder Sinterschicht, mittels derer das Substrat üblicherweise mit z.B. einen Kühlkörper verbunden ist, sehr dünn ausgebildet. Hierdurch wird eine besonders gute thermische Anbindung des Substrats 3 an die Metallplatte 2 erzielt. Die im Allgemeinen gegenüber stoffschlüssigen Metallverbindungen geringere Wärmeleitfähigkeit von Klebstoffen kann hierdurch ausgeglichen werden. Der Klebstoff 5 weist vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von größer als 1 W/mK, insbesondere von größer als 2 W/mK, auf und weist somit vorzugsweise eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Der Klebstoff 5 kann z.B. als Epoxidharzklebstoff, wobei das Epoxidharz des Epoxidharzklebstoffs mit wärmeleitenden Metall- oder Keramikpartikeln verfüllt ist, ausgebildet sein. Der Klebstoff 5 kann elektrisch nicht leitfähig sein oder elektrisch leitfähig sein.
  • Die erste Hauptseite 3a" bzw. 3c' des Substrats 3 und/oder die erste Hauptseite 2a der Metallplatte 2 weist vorzugsweise eine gemittelte Rautiefe Rz von größer als 1µm, insbesondere von größer als 10µm, auf. Hierdurch kann sich der Klebstoff 5 besonders fest mit der jeweiligen Hauptseite 3a", 3c' bzw. 2a verbinden, so dass die Klebeverbindung mechanisch besonders belastbar ist. Die erste Hauptseite 3a" bzw. 3c' des Substrats 3 und/oder die erste Hauptseite 2a der Metallplatte 2 weist vorzugsweise eine maximale gemittelte Rautiefe Rz von 100µm auf. Es sei angemerkt, dass im Sinne der Erfindung unter der gemittelten Rautiefe Rz die Definition der gemittelten Rautiefe Rz gemäß DIN EN ISO 4287 verstanden wird.
  • Wie beispielhaft in 3 dargestellt, kann die erste Hauptseite 3a" bzw. 3c' des Substrats 3 und/oder die erste Hauptseite 2a der Metallplatte 2 eine Oberflächenkontur aufweisen, die mittels in die jeweilige Hauptseite 2a, 3a" bzw. 3c' eingebrachter Vertiefungen 6a, 6b, 6c bzw. 6d, die jeweilig eine definierte geometrische Form ausweisen, gebildet ist, wobei die geometrische Form der jeweiligen Vertiefung 6a, 6b, 6c bzw. 6d derartig ausgebildet ist, dass die Querschnittsfläche der jeweiligen Vertiefung 6a, 6b, 6c bzw.6d rechteckförmig 6a, dreieckförmig 6b, trapenzförmig 6c oder ovalsegmentförmig 6d ausgebildet ist. Die jeweilige Vertiefung kann dabei z.B. in Form eines entsprechend geometrisch ausgebildeten Grabens oder in Form eines endsprechend geometrisch ausgebildeten Sacklochs vorliegen. Die Sacklöcher können z.B. matrixförmig angeordnet sein. Hierdurch wird eine mechanisch besonders hoch belastbare Verbindung des Substrats 3 mit der Metallplatte 2 erzielt.
  • Das Verhältnis der Dicke d1 der Metallplatte 2 zur Dicke d2 der Keramikplatte 3a liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 bis 10, insbesondere in einem Bereich von 0,5 bis 5, insbesondere in einem Bereich von 0,5 bis 2. Die Dicke d2 der Keramikplatte 3a beträgt vorzugsweise 100µm bis 500µm. Die Metallplatte 2 ist somit dünn ausgebildet, so dass die Kraft, die notwendig ist um die Metallplatte 2 in Normelenrichtung N der Keramikplatte 3a aufzuwölben relativ gering ist. Im Betrieb der Leistungshalbleitereinrichtung 1 werden die Keramikplatte 3a und die Metallplatte 2 von den Leistungshalbleiterbauelementen 4 stark erwärmt, was infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Keramikplatte 3a und Metallplatte 2 zu starken mechanischen Spannungen zwischen diesen miteinander verklebten Elementen führt. Hierdurch können Risse in der Keramikplatte 3a, insbesondere bei starken Temperaturschwankungen, entstehen. Wenn die Metallplatte 2 dünn ausgebildet ist, kann sie sich bei Ihre Erwärmung aufwölben und somit der Ausdehnung der Keramikplatte 3a durch ihre Aufwölbung mechanisch folgen, so dass keine starken mechanischen Spannungen zwischen Keramikplatte 3a und der Metallplatte 2 entstehen und die Gefahr des Entstehens von Rissen in der Keramikplatte 3a somit stark reduziert wird. Je größer die Dicke d2 der Keramikplatte 3a ist, desto größere mechanische Belastungen hält die Keramikplatte 3a aus und desto größer kann somit die Dicke d1 der Metallplatte 2 sein. Mit zunehmender Dicke d2 der Keramikplatte 3a erhöht sich jedoch auch deren thermischer Widerstand, der möglichst gering sein soll. Wenn das Verhältnis der Dicke d1 der Metallplatte 2 zur Dicke d2 der Keramikplatte 3a in einem Bereich von 0,5 bis 10, insbesondere in einem Bereich von 0,5 bis 5, insbesondere in einem Bereich von 0,5 bis 2 liegt, dann ist die Metallplatte 2 im Verhältnis zur Keramikplatte 3a derartig dünn ausgebildet, dass bei Erwärmung der Keramikplatte 3a und der Metallplatte 2, infolge der damit einhergehenden relativ leichtgängigen Aufwölbfähigkeit der Keramikplatte 3a in Normelenrichtung N der Keramikplatte 3a, keine starken mechanischen Spannungen zwischen der Keramikplatte 3a und der Metallplatte 2 entstehen, wodurch die Gefahr des Entstehens von Rissen in der Keramikplatte 3a stark reduziert wird.
  • Die Metallplatte 2 kann Bestandteil eines Flüssigkeitskühlkörpers 7 sein, wobei der Flüssigkeitskühlkörper 7 einen von einer Flüssigkeit durchströmbaren Hohlraum 8 aufweist, wobei die Metallplatte 2 einen Teil des Hohlraums 8 begrenzt. Der Flüssigkeitskühlkörper 7 weist vorzugsweise einen Grundkörper 9 auf, der eine derartige geometrische Form ausweist, dass er einen Teil des Hohlraums 8 begrenzt, wobei die Metallplatte 2 mit dem Grundkörper 9 flüssigkeitsdicht verbunden ist. Die Metallplatte 2 kann dabei mit dem Grundkörper 9 flüssigkeitsdicht verbunden sein, indem sie z.B. mit dem Grundkörper 9 verschweißt ist oder mit dem Grundkörper 9, unter mechanischer Zwischenschaltung einer Dichtung, verschraubt ist.
  • Extrem vorteilhaft ist es aber, wenn die Metallplatte 2 mit dem Grundkörper 9 flüssigkeitsdicht verbunden ist, indem sie wie beim Ausführungsbeispiel mit dem Grundkörper 9 einstückig ausgebildet ist. Wenn die Metallplatte 2 mit dem Grundkörper 9 einstückig ausgebildet ist, ist mit sehr hoher Zuverlässigkeit sichergestellt, dass die Metallplatte 2 mit dem Grundkörper 9 langzeitstabil flüssigkeitsdicht verbunden ist. Dichtigkeitsprobleme infolge von unzureichend ausgeführten Schweißnähten oder Alterung von Dichtungen werden hierdurch konstruktionsbedingt von vorneherein vermieden. Weiterhin weist die einstückige Ausbildung der Metallplatte 2 mit dem Grundkörper 9 den großen Vorteil auf, dass die Metallplatte 2 zusammen mit dem Grundkörper 9 sehr rationell, z.B. mittels eines Extrusionsverfahrens als extrudiertes Werkstück, herstellbar ist und somit einer Massenfertigung leicht zugänglich ist. Technisch aufwändige und fehleranfällige Schweißprozesse oder Verschraubungsprozesse, zur Herstellung der flüssigkeitsdichten Verbindung der Metallplatte 2 mit dem Grundkörper 9, werden hierdurch konstruktionsbedingt komplett vermieden. Wichtig ist, dass in der Praxis die Herstellung dieser sehr vorteilhaften Leistungshalbleitereinrichtung 1, bei dem die Metallplatte 2 mit dem Grundkörper 9 einstückig ausgebildet ist, nur technisch und/oder ökonomisch möglich ist, wenn wie bei der Erfindung das Substrat 3 mit der Metallplatte 2 stoffschlüssig mittels einer Klebeverbindung verbunden ist. Wenn anstatt der Klebeverbindung eine Lötverbindung verwendet würde, dann müsste die gesamte Leistungshalbleitereinrichtung einschließlich dem relativ massiven Flüssigkeitskühlkörper 7 in einen Ofen für eine lange Zeit stark erwärmt werden um ein zwischen dem Substrat 3 mit der Metallplatte 2 angeordnetes Lot aufzuschmelzen, was zum einen sehr zeitaufwändig und energieintensiv wäre und zum anderen durch die damit einhergehende lange Wärmeinwirkung die Leistungshalbleiterbauelemente 4 beschädigt werden können. Wenn anstatt der Klebeverbindung eine Sinterverbindung verwendet würde, dann müsste zur Herstellung der Sinterverbindung die gesamte Leistungshalbleitereinrichtung einschließlich dem relativ massiven Flüssigkeitskühlkörper 7 in einer Sinterpresse angeordnet werden, und von der Sinterpresse auf die Metallplatte 2 in Richtung auf den Grundkörper 9 zu ein sehr hohem Druck ausgeübt werden, der zumindest zu einer starken Durchbiegung der Metallplatte 2 in Richtung auf den Grundkörper 9 führen würde und somit zu Entstehen von Rissen der Keramikplatte führen würde. Weiterhin müsste bei einer Löt- oder Sinterverbindung zwangsweise die zweite Metallisierungsschicht 3c vorhanden sein.
  • Die Metallplatte 2 weist vorzugsweise eine von der ersten Hauptseite 2a der Metallplatte 2 und/oder von einer der ersten Hauptseite 2a der Metallplatte 2 gegenüberliegend angeordneten zweiten Hauptseite 2b der Metallplatte 2 in die Metallplatte 2 hineinverlaufenden Materialschwächungsbereich 10 auf, wobei der Materialschwächungsbereich 10 um das Substrat 3 herum verläuft. Im Materialschwächungsbereich 10 ist die Metallplatte 2 mechanisch geschwächt. Der Materialschwächungsbereich 10 ist vorzugsweise, wie beim Ausführungsbeispiel, als Ausnehmung, insbesondere als Nut, ausgebildet, kann aber z.B. auch als ein, mittels einer Wärmebehandlung und/oder chemischen Behandlung, mechanisch geschwächter Bereich 10 der Metallplatte 2 ausgebildet sein. 4 zeigt eine zu 1 und 2 zugehörige Draufsicht auf die Metallplatte 2 und auf das auf der Metallplatte 2 angeordnete Substrat 3, wobei das Substrat 3 nur stark schematisiert gestrichelt gezeichnet dargestellt ist. Der Materialschwächungsbereich 10, d.h. beim Ausführungsbeispiel die Ausnehmung 10, verläuft in 4 direkt am Rand 2c der Metallplatte 2 entlang. 5 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausbildung der Metallplatte 2 und auf das auf der Metallplatte 2 angeordnete Substrat 3, wobei im Unterschied zu der Ausbildung der Metallplatte 2 gemäß 4, der Materialschwächungsbereich 10, d.h. hier die Ausnehmung 10, am Rand 2c der Metallplatte 2 entlang, beanstandet zum Rand 2c der Metallplatte 2, verläuft.
  • Der Materialschwächungsbereich 10 erhöht die Leichtgängigkeit der Aufwölbfähigkeit der Keramikplatte 3a in Normelenrichtung N der Keramikplatte 3a, so dass sich die Keramikplatte 3a unter Einwirkung von noch weniger Kraftaufwand auswölben kann, so dass bei einer Erwärmung der Keramikplatte 3a und der Metallplatte 2, die auf die Keramikplatte 3a einwirkenden mechanischen Spannungen weiter reduziert werden.
  • Der Materialschwächungsbereich 10, d.h. hier die Ausnehmung 10, der Metallplatte 2 kann, wie beispielhaft in 4 und 5 dargestellt, um das Substrat 3 geschlossen herum verlaufen oder mindestens eine Unterbrechung aufweisen.
  • Der Materialschwächungsbereich 10, d.h. hier die Ausnehmung 10, ist vorzugsweise im Bereich 11 der Verbindung von der Metallplatte 2 zum Grundkörper 9 angeordnet.
  • Wenn das Verhältnis der Tiefe t1 der Ausnehmung 10 zur Dicke d1 der Metallplatte 2 in einem Bereich von 0,1 bis 0,5 liegt, kann sich zum einen die Metallplatte 2 schon unter Einwirkung von sehr wenig Kraftaufwand auswölben und zum anderen weist die Metallplatte 2 noch eine gute mechanische Stabilität auf.
  • Die Tiefe t1 der Ausnehmung 10 ist vorzugsweise an Eckbereichen 10a des Ausnehmungsverlaufs 10% bis 30% tiefer ist als an den übrigen Bereichen 10b des Ausnehmungsverlaufs. Hierdurch wird der zum Auswölben der Metallplatte 2 benötige Kraftaufwand weiter reduziert.
  • Wie beispielhaft in 1 und 2 dargestellt, können von einer der ersten Hauptseite 2a der Metallplatte 2 gegenüberliegend angeordneten zweiten Hauptseite 2b der Metallplatte 2 ausgehend, Kühlpins 12 oder Kühlfinnen 12 weg verlaufen. Alternativ kann die Metallplatte 2 auch zur Anordnung auf einem Kühlkörper vorgesehen sein, wobei zwischen Metallplatte 2 und dem Kühlkörper eine Wärmeleitpaste oder eine Löt- oder Sinterschicht angeordnet sein kann.
  • Es sei angemerkt, dass selbstverständlich Merkmale von verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, sofern sich die Merkmale nicht gegenseitig ausschließen, beliebig miteinander kombiniert werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016104283 A1 [0002]
    • DE 102016205178 A1 [0003]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • DIN EN ISO 4287 [0034]

Claims (18)

  1. Leistungshalbleitereinrichtung mit einer Metallplatte (2), mit einem auf der Metallplatte (2) angeordnetem Substrat (3), das eine Keramikplatte (3a) aufweist auf deren der Metallplatte (2) abgewandten ersten Hauptseite (3a') eine zu Leiterbahnen (3b') strukturierte erste Metallisierungsschicht (3b) aufgebracht ist, mit auf den Leiterbahnen (3b') angeordneten und mit diesen elektrisch leitend verbundenen Leistungshalbleiterbauelementen (4) und mit einem zwischen der Metallplatte (2) und dem Substrat (3) angeordneten Klebstoff (5), der einen jeweiligen mechanischen Kontakt zu einer ersten Hauptseite (3a",3c') des Substrats (3) und einer ersten Hauptseite (2a) der Metallplatte (2) aufweist und eine Klebeverbindung ausbildet, die das Substrat (3) mit der Metallplatte (2) stoffschlüssig verbindet.
  2. Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hauptseite des Substrats (3) durch eine der Metallplatte (2) zugewandte zweite Hauptseite (3a") der Keramikplatte (3) ausgebildet ist.
  3. Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer der Metallplatte (2) zugewandten zweiten Hauptseite (3a") der Keramikplatte (3a) eine zweite Metallisierungsschicht (3c) aufgebracht ist, deren der Metallplatte (2) zugewandten Hauptseite (3c') die erste Hauptseite des Substrats (3) ausbildet.
  4. Leistungshalbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (d3) der aus dem Klebstoff (5) zwischen dem Substrat (3) und der Metallplatte (2) ausgebildeten Klebstoffschicht (5') 5µm bis 25µm beträgt.
  5. Leistungshalbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hauptseite (3a",3c') des Substrats (3) und/oder die erste Hauptseite (2a) der Metallplatte (2) eine gemittelte Rautiefe (Rz) von größer als 1µm, insbesondere von größer als 10µm, aufweist.
  6. Leistungshalbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hauptseite (3a",3c') des Substrats (3) und/oder die erste Hauptseite (2a) der Metallplatte (2) eine Oberflächenkontur aufweist, die mittels in die jeweilige Hauptseite (2a,3a",3c') eingebrachter Vertiefungen (6a,6b,6c,6d), die jeweilig eine definierte geometrische Form ausweisen, gebildet ist, wobei die geometrische Form der jeweiligen Vertiefung (6a,6b,6c,6d) derartig ausgebildet ist, dass die Querschnittsfläche der jeweiligen Vertiefung (6a,6b,6c,6d) rechteckförmig (6a), dreieckförmig (6b), trapenzförmig (6c) oder ovalsegmentförmig (6d) ausgebildet ist.
  7. Leistungshalbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Dicke (d1) der Metallplatte (2) zur Dicke (d2) der Keramikplatte (3a) in einem Bereich von 0,5 bis 10, insbesondere in einem Bereich von 0,5 bis 5, insbesondere in einem Bereich von 0,5 bis 2, liegt.
  8. Leistungshalbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (d2) der Keramikplatte (3a) 100µm bis 500µm beträgt.
  9. Leistungshalbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatte (2) Bestandteil eines Flüssigkeitskühlkörpers (7) ist, wobei der Flüssigkeitskühlkörper (7) einen von einer Flüssigkeit durchströmbaren Hohlraum (8) aufweist, wobei die Metallplatte (2) einen Teil des Hohlraums (8) begrenzt.
  10. Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitskühlkörper (7) einen Grundkörper (9) aufweist, der eine derartige geometrische Form ausweist, dass er einen Teil des Hohlraums (8) begrenzt, wobei die Metallplatte (2) mit dem Grundkörper (9) flüssigkeitsdicht verbunden ist.
  11. Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatte (2) mit dem Grundkörper (9) einstückig ausgebildet ist.
  12. Leistungshalbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatte (2) eine von der ersten Hauptseite (2a) der Metallplatte (2) und/oder von einer der ersten Hauptseite (2a) der Metallplatte (2) gegenüberliegend angeordneten zweiten Hauptseite (2b) der Metallplatte (2) in die Metallplatte (2) hineinverlaufenden Materialschwächungsbereich (10) aufweist, wobei der Materialschwächungsbereich (10) um das Substrat (3) herum verläuft.
  13. Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 12, soweit dieser auf Anspruch 10 oder 11 zurückbezogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialschwächungsbereich (10) im Bereich (11) der Verbindung von der Metallplatte (2) zum Grundkörper (9) angeordnet ist.
  14. Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialschwächungsbereich (10) direkt am Rand (2c) der Metallplatte (2) entlang oder am Rand (2c) der Metallplatte (2) entlang, beanstandet zum Rand (2c) der Metallplatte (2), verläuft.
  15. Leistungshalbleitereinrichtung einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialschwächungsbereich (10) als Ausnehmung ausgebildet ist.
  16. Leistungshalbleitereinrichtung einem der Ansprüche 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Tiefe (t1) der Ausnehmung (10) zur Dicke (d1) der Metallplatte (2) in einem Bereich von 0,1 bis 0,5 liegt.
  17. Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Ausnehmung (10) an Eckbereichen (10a) des Ausnehmungsverlaufs 10% bis 30% tiefer ist als an den übrigen Bereichen (10b) des Ausnehmungsverlaufs.
  18. Leistungshalbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von einer der ersten Hauptseite (2a) der Metallplatte (2) gegenüberliegend angeordneten zweiten Hauptseite (2b) der Metallplatte (2) ausgehend, Kühlpins (12) oder Kühlfinnen (12) weg verlaufen.
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