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Leistungshalbleiter werden mit dem sie tragenden Substrat
üblicherweise auf Wärmesenken-Wärmespreizplatten
aufgelötet, um einen schnellen Wärmeabfluß zu gewährleisten, so
daß bei dem Betrieb mit hohen Strömen die Temperaturen in
den Leistungshalbleitern nicht zu stark ansteigen.
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Weiter werden im Stand der Technik die Wärmespreizplatten
durch im Randbereich angeordnete Befestigen auf den sie
tragenden Strukturen, beispielsweise größeren Kühlkörpern
befestigt.
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Insbesondere beim Zusammenlöten ergibt sich das Problem,
das die während des Lötvorganges aufgeheizten, später auf
Umgebungstemperatur abgekühlten Stapel unterschiedlicher
Materialien aufgrund der unterschiedlichen
Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Schichten sich (z. B. konvex)
verformen.
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Weiter ergibt sich das Problem auch im Gebrauch, wenn die
sich bei Erwärmung ausdehnenden Wärmespreizplatten -
zwischen den Befestigungspunkten bei klassischer
Schraubbefestigung eingespannt - sich längen und verwölben und so
beispielsweise konvex von einem Kühlkörper abheben.
Dieses Problem verschärft sich noch bei größeren
Stapelhöhen.
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Die statische und thermische Verformung bedingt
thermische Übergangsverluste an Spalten, die nur zum Teil mit
Wärmeleitpaste ausgeglichen werden können. Folge kann
dann die Überhitzung der Halbleiter sein.
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Typische thermische Stapel entstehen durch folgenden
Materialaufbau (in den beigefügten Fig. 1-3 von oben
nach unten):
- - auf einem Leistungshalbleiter aus Silizium, nicht
dargestellt, mit einem thermischen
Expansionskoeffizienten (CTE) von z. B. 4,2 ppm/K folgt
- - ein Substrat, das entweder als Aluminium-Oxid-
Kernsubstrat (Al2O3-DCB) mit einem CTE von 7-8 ppm/K
oder als Aluminium-Nitrid-Kern-Substrat
(AlN-DCB) mit einem CTE von 5 ppm/K sich deutlich
stärker ausdehnt. Noch stärker dehnt sich die
- - Wärmespreizplatte, die entweder aus Kupfer mit
einem CTE von 17 ppm/K oder als Aluminium-
Siliziumkarbid (AlSiC) mit einem CTE von 8-12 ppm/K
ausgebildet ist.
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Diese einzelnen Schichten des thermischen Stapels werden
nun noch durch Lötungen miteinander verbunden um guten
thermischen Kontakt zu gewähren.
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Schon beim Löten mit Temperaturen von typischerweise
220°C ergeben sich nun in dem Stapel thermisch induzierte
mechanische Verformungen aufgrund der horizontalen
thermischen Kontraktionen der einzelnen Schichten.
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In den Figuren zum Stand der Technik (Fig. 1-3) sind
die Hauptkomponenten, das Substrat für die Halbleiter
(ggf. mit aufgedruckten Lackschichten), die Lotschicht
(weiß mit schwarzen Strichen) und die Wärmespreizplatte
(schwarz mit weißer Schraffur) zunächst separat parallel
zueinander dargestellt. Ganz oben sind die aufgelöteten
Leistungs-Halbleiter dargestellt. Im Rahmen üblicher
Fertigungstechniken sind die Platten und das Substrat als
eben anzusehen, und die Lotschicht wird ebenfalls gern
als ebenes Plättchen eingefügt, um eine gleichmäßige
Dicke sicherzustellen.
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Während sie in Fig. 1 noch getrennt dargestellt sind,
sind in der Fig. 2 die Komponenten im Zustand des
aufgeschmolzenen Lotes, das heißt bei der Schmelztemperatur
des Lotes von z. B. 220°C ebenfalls noch eben
dargestellt.
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Die Fig. 3 zeigt dann aber den Stapel bei Raumtemperatur,
bei dem sich eine konvexe Verformung eingestellt hat.
Diese konvexe Verformung führt zu einem sehr schlechten
thermischen Kontakt auf einem Kühlkörper. Lediglich am
Rand kann die Wärmespreizplatte diesen Kühlkörper, der in
der Fig. 4 zum ersten Mal dargestellt ist, noch thermisch
kontaktieren.
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Diesem Problem wird in der DE A1-43 38 107 durch ein
Abdrehen der Metall-Wärmespreizplatte an ihrer Unterseite
bis zu einem konvexen Zustand begegnet, der die Platte
bei nach oben konvexer Vorspannung wieder plan auf einen
Kühlkörper aufsetzbar macht.
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Es ist leicht einzusehen, daß das Maß der Konvexität hier
eine kritische Größe ist, die andererseits einer Vielzahl
von Parametern unterliegt, so daß schon der Austausch
eines Materials wie z. B. des Lots, oder eine etwas höhere
Löttemperatur ein anderes Maß erfordern. Dies ist
aufwendig und kostenintensiv in Planung und Herstellung.
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Auch Weiterentwicklungen, wie in der DE-A1 197 07 514,
vermögen das Problem nicht befriedigend zu lösen, ebenso
andere Arten der Vorbiegung, wie ein Prägen (mit
Prägepressen), die die Oberseite der Wärmespreizplatte mit
verbiegen.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die
thermische Kontaktierung der auf einer Wärmespreizplatte
verlöteten Schichten zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Befestigung
mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Die
Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen der
Erfindung wieder.
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Die Anordnung einer Spannschraube in der Mitte des
Substrats und der Wärmespreizplatte ergibt die Möglichkeit,
die Vorspannung der Wärmespreizplatte durch eine
entsprechend gewählte Spannung beim Festsetzen der Schraube
auszugleichen.
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Zwar ist die mittige Anordnung einer Befestigungsschraube
schon in der DE C2 196 30 173 beschrieben, dort ist sie
jedoch nur zur Halterung eines Druckstücks mit einer
Mehrzahl von Kontakten für die Halbleiter vorgesehen.
Eine Wärmespreizplatte als Kühlungsreservoir und zur
Verteilung der punktuell anfallenden Wärme fehlt, so daß
sich das Problem nicht stellt.
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Sinnvollerweise soll nach der Erfindung die Bohrung in
der Mitte bzw. bei rechteckigen Formen im Zentrum des
Stapels geführt werden. Andere Orte sind jedoch
insbesondere bei der Verwendung einer Mehrzahl von Schrauben
nicht ausgeschlossen.
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Dabei darf die Druckfläche der Schraube jedoch nicht auf
die Keramik-Kernsubstrate drücken, da sonst die akute
Gefahr der Zerstörung besteht. Aus diesem Zweck ist die
zentrische Bohrung im Substrat größer vorzusehen als die
Druckfläche der Schraube, so daß die Schraube direkt auf
die Wärmespreizplatte drückt. Gleichzeitig können auf
diese Weise auch die notwendigen Isolationsabstände
gewahrt werden.
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Insbesondere ist vorteilhaft, daß durch die Erfindung
auch bei Verwendung von AlSiC (Aluminiumsiliziumcarbid)
für die Wärmespreizplatten dieses hochsteife, gegenüber
Kupfer aber wesentlich leichtere Material vollflächig auf
Kühlkörpern oder dergleichen angesetzt werden kann. Dabei
kann eine vorbestehende Wölbung, die angesichts des
hochsteifen Materials lediglich im Bereich zwischen
50-80 µm gewählt werden kann, durch die Kraft, mit der die
Spannschraube angezogen wird, ausgeglichen werden. Man
erhält dann eine sich auch bei vielen Temperaturzyklen
gegen Durchbiegung der Wärmesenke und dadurch erfolgende
Abhebung am Rand gesicherte Verbindung zu gewähren.
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Die in der Mitte des Substrates vorgesehene Bohrung
sollte dabei zusätzlich mit einer nicht leitenden Hülse
(insbesondere mit einem T-förmigen Längsschnitt) aus
Kunststoffmaterial versehen sein, damit die aus leitendem
Material (Stahl) gefertigten Schrauben keine elektrische
Verbindung zwischen dem Leistungshalbleiterbauteil und
der elektrisch leitenden Wärmespreizplatte schaffen. An
einen hohlzylindrischen Abschnitt wird sich in einer
bevorzugten Ausführungsform aber keine Andruckringfläche
als Kragen unter dem Schraubenkopf anschließen, sondern
es wird nur die zur Seite ragende Mantelfläche genutzt.
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Die Länge des hohlzylindrischen Abschnitts sollte dabei
etwas kürzer als die genau bekannte Dicke des Substrates
sein.
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Schließlich kann in einer weiter bevorzugten
Ausführungsform die bei steigender Betriebstemperatur durch die
thermische Dehnung der Schrauben, die sich stärker längen
als der thermische Stapel, geschaffene Differenz durch
einen Federring oder einen exakt dimensionierten
Dehnungsstapel, z. B. aus Kupfer- oder Aluminiumschichten,
entsprechend kompensiert werden. Dieser Federring oder
Dehnungsstapel kann in die Hülse integriert werden, oder
separat unter der Andruckringfläche vorgesehen werden.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich
aus nachfolgender Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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Dabei zeigt:
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Fig. 1 die einzelnen Schichten eines
thermischen Stapels separat,
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Fig. 2 die Schichten in einem
Hochtemperaturzustand,
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Fig. 3 die Schichten bei Raumtemperatur in
ihrem erstarrten konvex verformten
Zustand nach dem Stand der Technik,
und
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Fig. 4 die Anordnung einer Bohrung nach der
Erfindung in dem Substrat, der
Lotschicht und der Wärmespreizplatte,
sowie eine darunterliegende Struktur
in Form eines Kühlkörpers, einen
Kontaktrahmen mit einem
innenliegenden Druckstück, einen Deckel und die
Spannschraube.
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Der in der Fig. 4 dargestellte Durchlaß 16 in Substrat 10
und Wärmespreizplatte 14 für eine im Kühlkörper 18 in
einem Gewinde festgesetzte Spannschraube 22 führt dazu, daß
sich eine zentrische Druckverbindung oder aber auch eine
Niete mit definierter Vorspannung auf die
Wärmespreizplatte 14 wirkend bei der Befestigung eines die
Leistungshalbleiter 32 tragenden Substrates 10 auf der
Wärmespreizplatte 14 einstellen läßt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die bei
steigenden Betriebstemperaturen durch die thermische Dehnung
der Schrauben, die sich stärker längen als der thermische
Stapel durch einen Federring oder einen exakt
dimensionierten Dehnungsstapel, z. B. aus Kupfer- oder
Aluminiumschichten entsprechend zu kompensieren. Dieser Stapel
kann parallel zum Gewinde unter dem Schraubenkopf 22 als
ein Druckstück 20 angeordnet werden. Der Deckel 24 ist
also mit einer Ausnehmung versehen, die größer als der
Kopf 22 der Schraube ist.
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Der Rahmen 26 dient lediglich zur Kontaktierung und wird
üblicherweise über den Halbleiter mit einem Isolationsgel
aus Silikon vergossen.
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Es wird darauf hingewiesen, daß technisch lediglich ein
steigender CTE-Unterschied von Silizium zur
Wärmespreizplatte möglich ist. Ein anderer Aufbau des thermischen
Stapels ist technisch praktisch nicht möglich, so daß
sich der Stapel stets konvex durchbiegt und so die
zentrische Befestigung stets die gewünschte
Befestigungswirkung entfaltet.
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Lediglich für den Fall, daß die Wärmespreizplatten eine
sehr starke konkave Vorbiegung erhalten, wird sich diese
auch nach dem Löten und Abkühlen erhalten und durch
mehrere, in den Randbereichen vorgesehene Befestigungen nach
der Erfindung auf den Kühlkörper gedrückt werden können.
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Die Befestigung des Leistungshalbleitermoduls mit einem
Substrat 10 auf dem die Leistungselektronikbauteile 32
angeordnet sind, kann mittels der in dem mittigen
Durchlaß 16 im Substrat 10 und der Wärmespreizplatte 14
vorgesehenen Spannschraube auch direkt auf wärmeableitende
z. B. metallische Körper erfolgen und muß nicht
notwendigerweise in einem Kühlkörper 18 geschehen.
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Der Durchlaß im Substrat 10 sollte größer als der Schaft,
bevorzugt größer als ein Kopf 22 der Spannschraube sein,
die bevorzugt mit einem Gewinde in einer unter der
Wärmespreizplatte 14 liegenden Struktur verankert ist. Eine
Spannniete soll ausdrücklich mit umfasst werden.
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Ein Federring zwischen dem Kopf 22 der Spannschraube und
der Wärmespreizplatte 14 ist insbesondere zur
Aufrechterhaltung eines Anpressdrucks auch im heißen Zustand
vorgesehen.
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Ein sich parallel zur Spannschraube ausdehnender
Dehnungsstapel als Druckstück 20 zwischen dem Druckpunkt des
Spannschraubenkopfes 22 und der Wärmespreizplatte 14 kann
die Längenänderungen der sich ebenfalls bei Erhitzung
ausdehnenden Spannschraube auffangen.
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Eine trichterförmige Hülse, die in ihren Außenabmessungen
in die Ausnehmung 16 im Substrat 10 einpassend, kann
schließlich über den Beherbergungsort des Schraubenkopfes
hinausreichend einen Trichterabschnitt aufweisen oder
ausbilden, damit der des darüberliegende Schraubgang von
der auf der Leistungselektronik aufgebrachten
Silikonvergußmasse freigehalten wird.