DE10203096A1

DE10203096A1 - Befestigung für ein Halbleitermodul

Info

Publication number: DE10203096A1
Application number: DE2002103096
Authority: DE
Inventors: Andreas Liebsch; Holger Ulrich; Ronald Eisele
Original assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Current assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Priority date: 2002-01-25
Filing date: 2002-01-25
Publication date: 2003-08-07

Abstract

Befestigung für ein Leistungshalbleitermodul mit einem Substrat (10), auf dem die Leistungselektronikbauteile angeordnet sind, mit einer in einem mittigen Durchlaß (16) im Substrat (10) und der wärmesenkenden Bodenplatte (14) vorgesehenen und auf letztere wirkenden Befestigungsschraube.

Description

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.
Weiter werden im Stand der Technik die Wärmespreizplatten durch im Randbereich angeordnete Befestigen auf den sie tragenden Strukturen, beispielsweise größeren Kühlkörpern befestigt.
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.
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.
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.
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.

Diese einzelnen Schichten des thermischen Stapels werden nun noch durch Lötungen miteinander verbunden um guten thermischen Kontakt zu gewähren.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die thermische Kontaktierung der auf einer Wärmespreizplatte verlöteten Schichten zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Befestigung mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung wieder.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Länge des hohlzylindrischen Abschnitts sollte dabei etwas kürzer als die genau bekannte Dicke des Substrates sein.
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.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Dabei zeigt:
Fig. 1 die einzelnen Schichten eines thermischen Stapels separat,
Fig. 2 die Schichten in einem Hochtemperaturzustand,
Fig. 3 die Schichten bei Raumtemperatur in ihrem erstarrten konvex verformten Zustand nach dem Stand der Technik, und
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.
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.
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.
Der Rahmen 26 dient lediglich zur Kontaktierung und wird üblicherweise über den Halbleiter mit einem Isolationsgel aus Silikon vergossen.
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.
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.
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.
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.
Ein Federring zwischen dem Kopf 22 der Spannschraube und der Wärmespreizplatte 14 ist insbesondere zur Aufrechterhaltung eines Anpressdrucks auch im heißen Zustand vorgesehen.
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.
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.

Claims

1. Befestigung für ein Leistungshalbleitermodul mit einem Substrat (10) auf dem die Leistungselektronikbauteile angeordnet sind, gekennzeichnet durch eine in einem mittigen Durchlaß (16) im Substrat (10) und einer Wärmespreizplatte (14) vorgesehene Spannschraube.

2. Befestigung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaß im Substrat (10) größer als ein Kopf der Spannschraube, die in einer unter der Wärmespreizplatte (14) liegenden Struktur verankert ist.

3. Befestigung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Federring zwischen einem Kopf (22) der Spannschraube und der Wärmespreiplatte (14) vorgesehen ist.

4. Befestigung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein sich sich parallel zur Spannschraube ausdehnender Dehnungsstapel als Druckstück (20) zwischen dem Spannschraubenkopf (22) und der Wärmespreizplatte (14) vorgesehen ist.

5. Befestigung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine trichterförmige Hülse, die in ihren Außenabmessungen in die Ausnehmung (16) im Substrat (10) einpassend, eine über den Beherbergungsort des Schraubenkopfes hinausreichenden Trichterabschnitt aufweist, zum Freihalten des darüberliegenden Schraubganges von auf der Leistungselektronik aufgebrachter Silikonvergußmasse.