-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiterbauteil. Derartige Leistungshalbleiterbauteile werden bspw. im Bereich der Fahrzeugtechnik genutzt.
-
Leistungshalbleiterbauteile weisen üblicherweise Leistungshalbleiterelemente auf, die mit einer Leiterplatte elektrisch verbunden sind. Da Leistungshalbleiterelemente eine nicht zu vernachlässigende Wärmeentwicklung aufweisen, sind die Leistungshalbleiterelemente zudem üblicherweise mit einem Kühlkörper wärmeleitend verbunden. Der Kühlkörper sorgt dafür, dass die von dem Leistungshalbleiterelemente erzeugte Wärme abgeführt wird.
-
Allerdings hat sich gezeigt, dass es bei Leistungshalbleiterbauteilen insbesondere im Bereich der elektrischen Verbindung zwischen Leistungshalbleiterelement und Leiterplatte immer wieder zu Defekten kommt. Derartige Defekte können durch Risse an der elektrischen Verbindung entstehen. Insbesondere bei Lötverbindungen zwischen dem Leistungshalbleiterelement und der Leiterplatte können Risse zu einem Defekt und damit zu einer Fehlfunktion des Leistungshalbleiterbauteils führen.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein zuverlässigeres Leistungshalbleiterbauteil bereitzustellen.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Leistungshalbleiterbauteil gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Das erfindungsgemäße Leistungshalbleiterbauteil umfasst eine Leiterplatte, einen Kühlkörper mit einer Kontaktfläche und ein zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper angeordnetes Leistungshalbleiterelement, beispielsweise ein MOSFET oder dergleichen. Das Leistungshalbleiterelement ist dabei elektrisch, bspw. mittels einer Lötverbindung, mit der Leiterplatte verbunden und wärmeleitend an die Kontaktfläche des Kühlkörpers angebunden. Der Kühlkörper weist einen sich von der Kontaktfläche in Richtung der Leiterplatte erstreckenden Kühlkörpervorsprung auf, dessen Stirnseite einer Unterseite der Leiterplatte zugewandt ist. Die Stirnseite ragt somit in Richtung der Leiterplatte vor. Mit anderen Worten ist ein Abstand zwischen der Stirnseite und der Unterseite kleiner als ein Abstand zwischen der Kontaktfläche und der Unterseite. Der Kühlkörpervorsprung und der Kühlkörper sind zudem aus demselben Material gefertigt und ein einzelnes Bauteil; bilden also mechanisch und stofflich eine Einheit. Das erfindungsgemäße Leistungshalbleiterbauteil weist ferner ein Wärmeausdehnungskompensationselement auf, das zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörpervorsprung angeordnet ist, das die Unterseite der Leiterplatte mit der Stirnseite des Kühlkörpervorsprungs verbindet und das aus einem Material ausgebildet ist, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der an einen effektiven Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien von Leiterplatte, Kühlkörpervorsprung und Leistungshalbleiterelement (zusammen mit elektrischer Verbindung) angepasst ist.
-
Das erfindungsgemäße Leistungshalbleiterbauteil beruht zumindest teilweise auf der Erkenntnis, dass aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien von Leiterplatte, Kühlkörper bzw. Kühlkörpervorsprung und Leistungshalbleiterelement (zusammen mit der elektrischen Verbindung) thermische Spannungen und/oder Verformungen auftreten können, die letztlich zu spannungsbedingten Rissen an der elektrischen Verbindung zwischen dem Leistungshalbleiterelement und der Leiterplatte führen können. Das erfindungsgemäße Leistungshalbleiterbauteil beruht ferner zumindest teilweise auf der Erkenntnis, dass die unterschiedliche Wärmeausdehnung der Materialien von Leiterplatte, Leistungshalbleiterelement (zusammen mit der elektrischen Verbindung) und Kühlkörper bzw. Kühlkörpervorsprung mittels eines Wärmeausdehnungskompensationselements kompensiert werden kann. Das Wärmeausdehnungskompensationselement befindet sich dabei zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörpervorsprung, der aus demselben Material wie der Kühlkörper besteht. Dadurch, dass das Wärmeausdehnungskompensationselement die Unterseite der Leiterplatte mit der Stirnseite des Kühlkörpervorsprungs verbindet, insbesondere mechanisch verbindet, wird die Leiterplatte von unten her mittels des Wärmeausdehnungskompensationselements und des Kühlkörpervorsprungs auf dem Kühlkörper mechanisch gelagert bzw. gehaltert. Mit anderen Worten ergibt sich ein mechanischer Stütz- bzw. Stabilisierungspfad zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper, wobei der Kühlkörpervorsprung und das Wärmeausdehnungskompensationselement die mechanische Verbindung zwischen dem Kühlkörper und der Leiterplatte herstellen. Gleichzeitig besteht ein elektrischer Pfad entlang der elektrischen Verbindung zwischen der Leiterplatte und dem Leistungshalbleiterelement, das seinerseits wärmeleitend an der Kontaktfläche des Kühlkörpers angebunden ist.
-
Indem das Material des Wärmeausdehnungskompensationselement an den effektiven Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien von Leiterplatte, Kühlkörpervorsprung bzw. Kühlkörper und Leistungshalbleiterelement (zusammen mit der elektrischen Verbindung) angepasst ist, kann die thermische Ausdehnung, die sich entlang des mechanischen Stabilisierungspfads einstellt, an die thermische Ausdehnung, die sich entlang des elektrischen Pfads einstellt, angepasst werden. Aufgrund der aufeinander angepassten thermischen Ausdehnungen entlang des mechanischen Stabilisierungspfads einerseits und des elektrischen Pfads andererseits, können Spannungen und/oder Verformungen insbesondere an der elektrischen Verbindung zwischen dem Leistungshalbleiterelement und der Leiterplatte minimiert werden. Dies reduziert die Häufigkeit von spannungsbedingten Rissen an der elektrischen Verbindung, sodass ein zuverlässigeres Leistungshalbleiterbauteil geschaffen werden kann.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Leistungshalbleiterbauteil ferner ein zwischen der Kontaktfläche des Kühlkörpers und dem Leistungshalbleiterelement angeordnetes Wärmeelement auf, das die Kontaktfläche des Kühlkörpers und das Leistungshalbleiterelement wärmeleitend verbindet, wobei das Material des Wärmeausdehnungskompensationselements einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der an einen effektiven Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien von Leiterplatte, Kühlkörpervorsprung bzw. Kühlkörper, Leistungshalbleiterelement (zusammen mit elektrischer Verbindung) und Wärmeleitelement angepasst ist. Diese bevorzugte Ausgestaltung beruht zumindest teilweise auf der Erkenntnis, dass mittels eines Wärmeleitelements zwischen Kühlkörper und Leistungshalbleiterelement eine verbesserte Wärmeabfuhr realisiert werden kann. Indem das Material des Wärmeausdehnungskompensationselements einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der an einen effektiven Wärmeausdehnungskoeffizienten, der Materialien von Leiterplatte, Kühlkörpervorsprung bzw. Kühlkörper, Leistungshalbleiterelement (zusammen mit elektrischer Verbindung) und Wärmeleitelement angepasst ist, können auch bei Verwendung eines Wärmeleitelements die thermischen Ausdehnungen entlang des mechanischen Stabilisierungspfads einerseits und des elektrischen Pfads andererseits aufeinander angepasst werden.
-
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das Wärmeleitelement elektrisch nicht-leitend. Diese besonders bevorzugte Ausgestaltung beruht zumindest teilweise auf der Erkenntnis, dass insbesondere bei Anwendungen von Leistungshalbleiterbauteilen im Bereich der Hochvolt-Technik eine definierte elektrische Isolation des Leistungshalbleiterelements notwendig ist. Diese definierte elektrische Isolation des Leistungshalbleiterelements kann durch ein elektrisch nicht-leitendes Wärmeleitelement geschaffen werden. Somit kann ein Leistungshalbleiterbauteil geschaffen werden, das insbesondere auch in Hochvolt-Anwendungen einsetzbar ist.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist eine Höhe des Kühlkörpervorsprungs derart gewählt, dass das Wärmeausdehnungskompensationselement aus einem Material bestehend aus der Gruppe von Stahl und Oxidkeramik, insbesondere Aluminiumoxidkeramik, ausgewählt ist. Diese bevorzugte Ausgestaltung beruht zumindest teilweise auf der Erkenntnis, dass Kühlkörper üblicherweise Aluminiumdruckguss-Kühlkörper sind. Aluminiumdruckguss hat jedoch einen vergleichsweise großen Wärmeausdehnungskoeffizienten (circa 20-23 ppm/K). Zur Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen entlang des mechanischen Stabilisierungspfads und des elektrischen Pfads sind Materialien wie Stahl und Oxidkeramik, insbesondere Aluminiumoxidkeramik, daher besonders vorteilhaft, da sie einen vergleichsweise kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen (circa 16 ppm/K). Dadurch lässt sich die thermische Ausdehnung im mechanischen Stabilisierungspfad leichter an die thermische Ausdehnung im elektrischen Pfad anpassen.
-
Weitere Merkmale und Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der vorliegenden Lehre und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich. Es zeigt:
- 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauteils.
-
1 zeigt ein Leistungshalbleiterbauteil 10. Das Leistungshalbleiterbauteil 10 umfasst eine Leiterplatte 12, wie bspw. eine FR4-Leiterplatte, und ein Leistungshalbleiterelement 14, wie bspw. ein MOSFET. Das Leistungshalbleiterelement 14 ist über eine elektrische Verbindung 16 elektrisch mit der Leiterplatte 12 verbunden. Im konkreten Beispiel von 1 ist die elektrische Verbindung 16 eine Lötverbindung zwischen dem Leistungshalbleiterelement 14 und der Leiterplatte 12, wie dem Fachmann bei derartigen elektrischen Verbindungen bekannt ist.
-
Das Leistungshalbleiterbauteil 10 umfasst ferner einen Kühlkörper 18, der unterhalb der Leiterplatte 12 angeordnet ist. Der Kühlkörper 18 ist dazu ausgebildet, Wärme, die bspw. beim Betrieb des Leistungshalbleiterelements 14 erzeugt wird, abzuführen. Im konkreten Beispiel von 1 ist der Kühlkörper 18 ein Aluminiumdruckguss-Kühlkörper. Der Kühlkörper 18 weist eine Kontaktfläche 20 auf. Oberhalb der Kontaktfläche 20 und unterhalb der Leiterplatte 12 ist das Leistungshalbleiterelement 14 angeordnet. Das Leistungshalbleiterelement 14 ist an der Kontaktfläche 20 thermisch angebunden. Zur Erhöhung der Wärmeabfuhr ist zwischen dem Leistungshalbleiterelement 14 und dem Kühlkörper 18 bzw. dessen Kontaktfläche 20 ein Wärmeelement 22 angeordnet. Das Wärmeelement 22 ist auf die Kontaktfläche 20 aufgebracht und verbindet eine Unterseite des Leistungshalbleiterelements 14 mit der Kontaktfläche 20 des Kühlkörpers 18. Im konkreten Beispiel von 1 ist das Wärmeelement 22 elektrisch nicht-leitend. Dadurch wird eine definierte elektrische Isolation des Leistungshalbleiterelements 14 gewährleistet. Dies ermöglicht einen Einsatz des Leistungshalbleiterbauteils 10 in Hochvolt-Anwendungen.
-
Wie ferner in 1 gezeigt ist, weist der Kühlkörper 18 einen Kühlkörpervorsprung 24 auf, der sich von der Kontaktfläche 20 in Richtung zur Leiterplatte 12 erstreckt. Eine Stirnseite 26 des Kühlkörpervorsprungs 24 ist einer Unterseite 28 der Leiterplatte 12 zugewandt. Der Kühlkörpervorsprung 24 erstreckt sich von der Kontaktfläche 20 in Richtung zur Leiterplatte 12 mit einer Höhe 27. Die Stirnseite 26 weist somit einen um eine Höhe 27 geringeren Abstand zur Unterseite 28 auf als die Kontaktfläche 20. Im konkreten Beispiel von 1 erstreckt sich der Kühlkörpervorsprung 24 mit einer konstanten Querschnittsfläche von der Kontaktfläche 20 zur Unterseite 28. In anderen nicht gezeigten Ausführungsformen kann der Kühlkörpervorsprung 24 selbstverständlich auch veränderbare Querschnittsflächen aufweisen, je nachdem welcher Anwendungsfall zweckmäßig ist. Der Kühlkörpervorsprung 24 ist Teil des Kühlkörpers 18 und besteht damit aus demselben Material wie der Kühlkörper 18. Im konkreten Beispiel von 1 besteht der Kühlkörpervorsprung 24 daher aus Aluminiumdruckguss. Der Kühlkörper 18 mit dessen Kühlkörpervorsprung 24 kann beispielsweise durch spanende Umformung (bspw. Fräsen), durch Gießen oder durch ein anderes zweckmäßiges Verfahren hergestellt sein.
-
Wie ferner in 1 gezeigt ist, weist das Leistungshalbleiterbauteil 10 ein Wärmeausdehnungskompensationselement 30 auf. Das Wärmeausdehnungskompensationselement 30 ist zwischen der Leiterplatte 12 und dem Kühlkörpervorsprung 24 angeordnet und verbindet die Unterseite 28 der Leiterplatte 12 mit der Stirnseite 26 des Kühlkörpervorsprungs 24 insbesondere mechanisch. Das Wärmeausdehnungskompensationselement 30 bildet zusammen mit dem Kühlkörpervorsprung 24 ein Halteelement zum Haltern bzw. Stützen der Leiterplatte 12 auf dem Kühlkörper 18. Mit anderen Worten besteht ein mechanischer Stütz- bzw. Stabilisierungspfad zwischen der Leiterplatte 12 und dem Kühlkörper 18.
-
Kommt es nun zu einer Erwärmung des Leistungshalbleiterbauteils 10, beispielsweise durch den Betrieb des Leistungshalbleiterelements 14, dann dehnen sich die Materialien der entsprechenden Komponenten des Leistungshalbleiterbauteils 10 entsprechend ihrer jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten aus, wie dem Fachmann bei derartigen Bauteilen bekannt ist. Aufgrund der thermischen Ausdehnung der Materialien kommt es zur thermischen Ausdehnung entlang des elektrischen Pfades, der sich durch die elektrische Verbindung 16 zwischen der Leiterplatte 12 und dem Leistungshalbleiterelement 14 ergibt. Ebenso kommt es zur thermischen Ausdehnung entlang des mechanischen Stütz- bzw. Stabilisierungspfads zwischen der Leiterplatte 12, dem Wärmeausdehnungskompensationselement 30 und dem Kühlkörpervorsprung 24 bzw. Kühlkörper 18.
-
Kommt es zu einer unterschiedlichen thermischen Ausdehnung entlang des elektrischen Pfads einerseits und des mechanischen Stabilisierungspfads andererseits, kann dies zu einer mechanischen Verspannung führen. Die mechanische Verspannung könnte insbesondere im Bereich der elektrischen Verbindung 16 zur Rissbildung führen, wodurch ggf. die elektrische Verbindung 16 und damit das Leistungshalbleiterbauteil 10 beschädigt werden könnte.
-
Um eine unterschiedliche thermische Ausdehnung entlang des elektrischen Pfads und des mechanischen Stabilisierungspfads zu vermeiden, ist das Wärmeausdehnungskompensationselement 30 aus einem Material gebildet, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (in ppm/K) aufweist, der an einen effektiven Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien von Leiterplatte 12, Kühlkörpervorsprung 24 bzw. Kühlkörper 18, Leistungshalbleiterelement 14 (zusammen mit elektrischer Verbindung 16) angepasst ist. Mit anderen Worten wird als Material für das Wärmeausdehnungskompensationselement 30 dasjenige Material verwendet, das in einem gegebenen Leistungshalbleiterbauteil 10 zu einer vergleichsweise gleichen thermischen Ausdehnung entlang des elektrischen Pfads einerseits und entlang des mechanischen Stabilisierungspfads andererseits führt. Der effektive Wärmeausdehnungskoeffizient und/oder eine effektive thermische Ausdehnung im elektrischen Pfad wie auch der effektive Wärmeausdehnungskoeffizient und/oder eine effektive thermische Ausdehnung im mechanischen Stabilisierungspfad kann für ein jeweiliges Leistungshalbleiterbauteil 10 bspw. über Messungen ermittelt werden.
-
Im konkreten Beispiel von 1 ist die Höhe 27 des Kühlkörpervorsprungs 24 zudem derart bemessen, dass als Material für das Wärmeausdehnungskompensationselement 30 Stahl oder Oxidkeramik, vorzugsweise Aluminiumoxidkeramik, verwendet werden kann. Stahl und Oxidkeramik, vorzugsweise Aluminiumoxidkeramik, haben den Vorteil, dass deren Wärmeausdehnungskoeffizient im Vergleich zu den Wärmeausdehnungskoeffizienten der anderen Materialien von Leiterplatte 12, Leistungshalbleiterelement 14 (zusammen mit elektrischer Verbindung 16) und Kühlkörper 18 bzw. Kühlkörpervorsprung 24 mit 16 ppm/K vergleichsweise gering ist. Durch den vergleichsweise geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 16 ppm/K lässt, sich die thermische Ausdehnung im mechanischen Stabilisierungspfad an die thermische Ausdehnung im elektrischen Pfad anpassen. Ein typischer Wärmeausdehnungskoeffizient für den Kühlkörper 18, sofern der ein Aluminiumdruckguss-Kühlkörper ist, ist circa 20-23 ppm/K, für das Wärmeelement 22 ist circa 20-27 ppm/K, für das Leistungshalbleiterelement 14 (zusammen mit der elektrischen Verbindung 16) ist circa 17-22 ppm/K und für die Leiterplatte 12 ist circa 13-17 ppm/K. Wird also Stahl oder Oxidkeramik, vorzugsweise Aluminiumoxidkeramik, als Material für das Wärmeausdehnungskompensationselement 30 gewählt, kann bei entsprechender Höhe 27 des Kühlkörpervorsprungs 24 die thermische Ausdehnung im mechanischen Stabilisierungspfad an die thermische Ausdehnung im elektrischen Pfad angepasst werden.
