DE10257100B4

DE10257100B4 - Leistungsschalter

Info

Publication number: DE10257100B4
Application number: DE10257100A
Authority: DE
Inventors: Klaus Olesen; Roland Dr. Eisele
Original assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Current assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Priority date: 2002-07-12
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2008-08-14
Anticipated expiration: 2022-12-06
Also published as: DE10257100A1

Abstract

Leistungsschalter mit wenigstens einem Halbleiterbaustein (16), der mit Bonddrähten (20) kontaktiert wird, gekennzeichnet durch
zwei massive wärmespreizende Kühl- und Leiterplatten (10, 14), von denen eine (10) mit Aussparungen (12) zur Aufnahme wenigstens eines Halbleiterbauteils (16) versehen ist, und die voneinander durch ein mit Aussparungen (12) in der einen Kühl- und Leiterplatte (10) nachgeformten Durchlässen (13) versehenes Dielektrikum (18) isoliert sind, das zwischen den beiden die Wärme abführende Kühl- und Leiterplatten (10, 14) angeordnet ist,
wobei der wenigstens eine Halbleiterbaustein (16) wenigstens auf einer der Kühl- und Leiterplatten (10; 14) direkt befestigt ist und mit einer Mehrzahl von Bonddrähten (20) zur Leitung hoher Ströme mit der anderen Leiterplatte (14; 10) in Kontakt steht und über weitere Bonddrähte (22) mit Schaltanschlüssen (24) verbunden ist, die in einem Rahmen (26) vorgesehen sind, der auf wenigstens einer der Kühl- und Leiterplatten (14; 10) befestigt ist,
wobei jede der beiden Kühl- und...

Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.
Insbesondere für automobile Anwendungen werden Leistungsschalter gesucht, die die hohen Ströme, die beispielsweise beim Anlassen eines Motors fließen, sicher auf möglichst kleinem Raum schalten können. Bisher werden dazu Leistungsschalter benutzt, die auf einer Basisplatte oder einer Wärmesenke über ein zwischengesetztes Substrat befestigt sind. Interne Verbindungen werden mit sogenannten Bonddrähten realisiert. Ein Plastikgehäuse beherbergt Verbindungen, mit denen das Modul mit außerhalb liegenden Leitungen in Verbindung tritt.
Der eigentliche Halbleiterbaustein ist dabei von einem Silikongel bedeckt, um die empfindlichen Halbleiterschaltungen zusätzlich zu schützen und intern die elektrische Isolation sicherzustellen.
Bei diesem Vorgehen nach dem Stand der Technik ist insbesondere sicherzustellen, daß die oft erheblich erzeugte Verlustwärme gut abgeführt werden kann und andererseits die Schalter vor den oft rauhen Umweltbedingungen ebenso geschützt werden, wie vor einem potentiell den Benutzer gefährdenden Eingriff, da sowohl Ströme wie Spannungen sehr hoch sein können.
Üblicherweise werden die Substrate mit einem DCB-Verfahren (direct copper bonding) auf einer Kupferplatte oder im IMS-Verfahren (insulated metal substrate) auf einem isolierten Substrat hergestellt. Über diese Substrate wird der thermische Kontakt mit der Umgebung hergestellt, so daß die Wärme abgeleitet werden kann.
Da beide Verfahren dies über zwischenliegende elektrische Isolatoren bewerkstelligen müssen, die mit einem leitenden Material lediglich in Wärmekontakt stehen, ergeben sich mehrere Probleme. Beim DCB-Substrat, bei dem zwei Kupferschichten durch eine keramische Schicht getrennt sind, wirkt die keramische Schicht als elektrischer Isolator, soll aber gleichzeitig thermisch leitend sein, wobei die elektrischen Schaltkreise auf der oberen Kupferschicht realisiert sind.
Als Stand der Technik sind die DE 101 00 620 A1 zu nennen, die zwar ein Leistungsmodul zeigt, das miniaturisiert ist; die US 4 879 630 A , die ein wärmeableitendes Gehäuse zeigt; und die DE 199 00 603 A1 , die einen Modulaufbau bei einem Leistungshalbleiter zeigt.
Eine Verlustwärme-Ableitung von den Leistungsmodulen des Standes der Technik ist bei all diesen Anordnungen mit hohem apparativen Aufwand verbunden.
Bei IMS ist statt der Keramik eine Polymer-Glasfaserschicht zwischen zwei aufgebrachten Metallschichten vorhanden. Die Metallisierung der Leitungsschicht muß dabei Lötungen zulassen und gleichzeitig auch das Bonden von Leitungen, um die Halbleitereinrichtungen darauf befestigen zu können.
Beide genannten Substrate werden auf Basisplatten oder Wärmesenken in Gehäusen befestigt. Bei größeren Spannungen und Strömen werden diese Gehäuse mehr als handtellergroß und weisen eine Vielzahl von mechanischen Teilen auf, die die Funktionalität einschränken.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen möglichst kleinen Leistungsschalter zu schaffen, der dennoch auch bei hohen Strömen seine Wärme gut abführen kann.
Erfindungsgemäß wird dies durch einen Leistungsschalter mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Insbesondere ist vorteilhaft, daß über die zwei massiven Leiterplatten die Wärme in das Kabel, und damit über einen größeren Bereich in die die metallischen Leiter umgebenden Isolationswerkstoffe abgegeben werden kann.
Die Halbleiter, bestehend aus Silizium, werden direkt ohne elektrisch isolierende Substrate auf eine der beiden massiven Kupferleiterbahnen montiert, vorzugsweise gelötet. Der thermische Widerstand zwischen Halbleiter und Kupferleiterbahn wird durch diese Direktmontage nun nur noch durch die Lötschicht gebildet und drastisch reduziert. Die Kupferleiterbahn übernimmt damit auch die Funktion der Wärmespreizung und der primären Wärmesenke.
Durch den großen Leitungsquerschnitt kann ein sehr großer Strom übertragen werden, was bei herkömmlichen DCB- oder IMS-Techniken nicht möglich wäre. Dadurch, daß eine dielektrische Schicht, die üblicherweise zwischen der Halbleitereinrichtung und dem Bodenabschnitt des Leistungsmoduls liegt, nun zwischen zwei die Wärme abführende metallische Platten gelegt ist, werden wesentlich bessere thermische Verhältnisse als bei der DCB oder IMS-Technologie erreicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die dielektrische Schicht (3) zwischen die zwei Kupferteile laminiert werden, wobei bei erhöhter Temperatur entsprechend hoher Druck aufgebracht wird. Die typische Dicke einer solchen dielektrischen Schicht ist 75 bis 200 μm. Der thermische Widerstand des Dielektrikums in diesem Ausführungsbeispiel wird jedoch nicht zum gemessenen Thermalwiderstand hinzugezählt, da das dünne Dielektrikum die Hitze aus dem unteren Kupferteil an das obere Kupferteil weitergibt und dadurch die Hitze gleichmäßiger über das Modul verteilt.
Auf diese Weise werden sowohl oberes wie unteres Kupferteil als Wärmesenken fungieren können. Das obere Kupferteil ist dabei Teil des Komponententrägers und gleichzeitig Teil des elektrischen Schaltkreises, das die Bonddrähte hält und als eine der beiden Hauptstromleitungen des Leistungsmoduls eingesetzt wird. Ein Plastikteil, das als Rahmen auf das obere Kupferteil aufgesetzt wird, dient für eine Anzahl von Stifte als Befestigung und ergibt einen Teil des Modulgehäuses.
Es kann auch ein im Potential von der übrigen Schaltung getrennter Bereich als ein Niederspannungsmodul gemeinsam auf einer der Kühlplatten realisiert werden, wobei dann eine elektrisch isolierende Leiterplatte (DCB-Substrat) aus thermischen Gründen für diesen potentialmäßig getrennten Bereich vorzuziehen ist. Diese erweiterte Funktionalität kann zum Beispiel für einen Spannungsumsetzer von 12 auf 24 Volt oder ähnliches genutzt werden.
Die in einem solchen Modul eingesetzten Baulemente müssen ebenfalls gekühlt werden, besitzen jedoch eine komplexere Verdrahtung als einfach parallel geschaltete Bauelemente. Zusätzliche Kontaktpins zur Kontaktierung der Außenwelt (eine übliche Epoxidharzleiterplatte mit Steuerelektronik) trägt zum Beispiel ein erweiterter Kunststoffrahmen.
Ein bevorzugt mit einem Deckel ein Gehäuse bildender Kunststoffrahmen wird dabei vorzugsweise mit an der Bodenseite vorgesehenen Vorsprüngen versehen, die mit den Ecklöchern der oberen und unteren Kupferteile übereinstimmen und durch diese und das Dielektrikum, das ebenfalls solche Ausnehmungen aufweist, hindurchgeführt werden. Diese Vorsprünge stellen sicher, daß optional zusätzlich vorzusehende Schrauben zur Verbindung der beiden Leiterplatten und zur Halterung des Gehäuses keinen Kurzschluß dadurch verursachen, daß sie sowohl die oberen wie die unteren Kupferleiterplatten berühren.
Zur Erhöhung der elektrisch sicheren Halterung einer Schraube können noch Metallhülsen in diese Vorsprünge eingearbeitet werden, die nach außen hin isoliert sind, so daß die die mechanisch teilweise scharfen Gewindezüge der Schrauben an einem Durchtrennen des Plastik gehindert sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnung. Dabei zeigt:
1 eine schematische, perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Leistungsschalters,
2 die untere Leiterplatte,
3 das Dielektrikum,
4 die obere Leiterplatte,
5 den Plastikrahmen mit Stiften,
6 einen Schnitt durch einen Teil des Moduls,
7 das Modul ohne Deckel,
8 das Modul mit Deckel,
9 eine weitere Ausführung mit einem integrierten Niederspannungsmodul, und
10 eine Ausführung mit einer Zwischenschicht.
Die 1 zeigt dabei eine obere Kupferplatte, wobei die große Ausnehmung am Ende der Zunge zur Befestigung eines starken Stromkabels oder einer entsprechenden Leiterzunge dient. Aufgrund des großen Querschnittes der Kupferplatte wird ein wesentlicher Teil der Hitze durch die Kupferplatte abgeleitet (vom Ort der Entstehung abtransportiert) und vom sich langsam über größere Strecken erwärmenden Kabel aufgenommen, wodurch das Kabel oder dergleichen als Wärmesenke fungieren wird.
Da der Leistungsschalter beispielsweise so ausgelegt werden kann, daß er sich während des gesamten Durchlaßbetriebs, bei einer Anwendung in einer Wegfahrsperre also bei Betrieb des Fahrzeugs, erwärmt, ist es wichtig, auch über längere Zeiträume eine Wärmesenke bieten zu können. Genau das kann ein langes gut wärmeleitendes Kabel aus Kupfer auch bei verstecktem (isolierten) Einbau in einem Kraftfahrzeug sein.
Die Eckbohrungen 28 in der oberen Kupferplatte 10 in der 2 dienen zur Befestigung auf einem Chassis oder einer weiteren Wärmesenke, wobei weitere Löcher zur Ausrichtung der Teile während des Laminierprozesses vorgesehen werden können. Die rechteckigen Ausstanzungen 12 sind gegenüber denen (13) des darunter zu liegen kommenden Dielektrikums 18 (3) ein wenig größer, so daß die Ränder der Ausstanzungen 12 gegenüber der Barunterliegenden Kupferplatte 14 (4) durch eine horizontale Überlappung des Dielektrikums 18 zusätzlich beabstandet sind.
Dies verringert die Gefahr von Kurzschlüssen zwischen den beiden Kupferteilen. Das Dielektrikum wiederum ist mit Ausnehmungen versehen, die ein Ausrichten während des Laminierprozesses erlauben.
In der 5 wird der Plastikrahmen 26 mit Stiften 24 dargestellt, im vorliegenden Fall ein sog. 'insert-moulded bondable frame'. Die metallischen, nach oben ragenden Stifte dienen zur elektrischen Verbindung des Moduls mit der Außenwelt.
In der 6 wird im Schnitt dargestellt, wie von diesen metallischen Stiften 24 Bonddrähte 22 auf die Leistungshalbleiter über etwas längere Drähte als die Leistungsbonddrähte 20 elektrisch verbunden werden.
In der 7 wird eine der 1 entsprechende Darstellung ohne und in 8 mit einem ggf. nach einem vorherigen Vergießen aufgesetzten Deckel 42 auf den Rahmen 26 dargestellt.
In 9 schließlich ist ein im Potential von der übrigen Schaltung getrenntes Niederspannungsmodul 40 gemeinsam mit der Verschaltung der Leistungshalbleiter des Leistungsschalters auf einer der Kühlplatten (10; 14) realisiert worden. Es ist auf einem elektrisch isolierenden DCB-Substrat, das in diesem hinzugefügten Bereich vorhanden ist, aufgebracht.
Die in einem solchen Modul eingesetzten Baulemente 34 werden nun ebenfalls gekühlt, wobei zusätzliche Kontaktpins 36 zur Kontaktierung der Außenwelt in einem erweiterter Kunststoffrahmen 26 vorgesehen sind.
Gegebenenfalls kann noch eine metallische Zwischenschicht unter Bewahrung der erfindungsgemäßen Vorteile der Direktmontage eingesetzt werden, die beispielsweise aus einer Kupfer-Wolfram-Legierung besteht und damit eine thermische Leitfähigkeit von ca. 230 W/mK gegenüber der thermischen Leitfähigkeit von nur ca. 25 W/mK einer elektrisch isolierenden Zwischenschicht aus Aluminiumoxid (handelsübliche keramische Leiterplatte) aufweist.
Das Leistungsmodul wird durch den Betrieb und durch externe Temperaturwechsel schwankenden Betriebsbedingungen ausgesetzt. Die verlustleitungsbehafteten Halbleiter durchlaufen im Betrieb die größeren Temperaturdifferenzen. Der Schichtaufbau, bestehend aus Halbleiter und Kupferplatte (Kupferleiterbahn) verbunden durch eine Lötschicht, besitzt jeweils unterschiedliche thermische Deh nungen (Silizium ca. 3,5 ppm/K, Lot je nach Legierung ca. 20 ppm/K und die Kupferplatte ca. 18 ppm/K). Bei Temperaturwechsel entstehenden mechanische Spannungen zwischen den Schichten, die durch Kriechen des Lotes ausgeglichen werden, jedoch nie komplett wieder sich zurückbilden, relaxieren. Im Extremfall können die mechanischen Spannungen den Halbleiter zerstören.
Dies läßt sich vermeiden, indem durch die metallische Zwischenschicht ein Ausgleich eingeführt wird, wobei diese Schicht über eine thermische Dehnung von ca. 6–12 ppm/k verfügt, also zwischen den thermischen Dehnungswerten von Silizium und Kupfer liegt. Zusätzlich soll die Ausgleichsschicht gemäß den vorangehenden Erläuterungen nicht elektrisch isolierend wirken, im Gegenteil wird eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit vorausgesetzt. Diese Forderung erfüllen z. B. die Metalle Molybdän, Wolfram bzw. Legierungen aus Kupfer mit Wolfram oder Molybdän.
Die in der 10 dargestellte Zwischenschicht 44 zwischen Halbleiter 46 und Kupferplatte 48 durch zwei Lotschichten 50 eingesetzt gewährleistet einen solchen spannungsarmen Schichtaufbau. Hierbei wird der Halbleiter auf die Ausgleichsschicht gelötet und die Ausgleichsschicht auf die Kupferplatte. Für eine Minderung der therme-mechanischen Spannung ist es ausreichend, ausschließlich oder jedem Halbleiter eine plattenartige Zwischenschicht in der Größe der Halbleiterdimension und wenigstens 10% Vergrößerung zu plazieren. Die Vergrößerung der Zwischenschicht gegenüber dem Halbleiter bewirkt, daß die Lotschicht unter dem Halbleiter nach dem Lötvorgang einen Meniskus ausformen kann, wobei die Dicke der Zwischenschicht zwischen 0,1 mm bis 1 mm betragen kann.

Claims

Leistungsschalter mit wenigstens einem Halbleiterbaustein (16), der mit Bonddrähten (20) kontaktiert wird, gekennzeichnet durch zwei massive wärmespreizende Kühl- und Leiterplatten (10, 14), von denen eine (10) mit Aussparungen (12) zur Aufnahme wenigstens eines Halbleiterbauteils (16) versehen ist, und die voneinander durch ein mit Aussparungen (12) in der einen Kühl- und Leiterplatte (10) nachgeformten Durchlässen (13) versehenes Dielektrikum (18) isoliert sind, das zwischen den beiden die Wärme abführende Kühl- und Leiterplatten (10, 14) angeordnet ist, wobei der wenigstens eine Halbleiterbaustein (16) wenigstens auf einer der Kühl- und Leiterplatten (10; 14) direkt befestigt ist und mit einer Mehrzahl von Bonddrähten (20) zur Leitung hoher Ströme mit der anderen Leiterplatte (14; 10) in Kontakt steht und über weitere Bonddrähte (22) mit Schaltanschlüssen (24) verbunden ist, die in einem Rahmen (26) vorgesehen sind, der auf wenigstens einer der Kühl- und Leiterplatten (14; 10) befestigt ist, wobei jede der beiden Kühl- und Leiterplatten (10, 14) eine an auseinanderweisenden Stirnseiten ausgebildete Leiterzunge (30) zur Kontaktierung wenigstens eines hohe Ströme leitenden und als Wärmesenke fungierenden Kabels besitzt.
Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühl- und Leiterplatten (10, 14) aus Kupfer bestehen.
Leistungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Kühl- und Leiterplatten (10, 14) mit einer Mehrzahl von Eckbohrungen versehen ist, in denen der Rahmen (26) und eine Mehrzahl von den Leiterplatten miteinander verbindenden Elementen gelagert sind.
Leistungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (12) durch eine Mehrzahl von rechteckigen Ausstanzungen zur Beherbergung je eines Halbleiterbausteins (16) in der einen im wesentlichen flächigen Leiterplatte (10) gebildet sind.
Leistungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (18) vier rechteckig nebeneinander angeordnete Durchlässe (13) mit im wesentlichen quadratischen Abmessungen für vier Halbleiterbausteine (16) aufweist, die zwischen sich Stege (32) mit einer Breite des Dielektrikums (18) in der Größenordnung der Breite der Durchlässe (13) belassen, wobei die Aussparung in der Leiterplatte (10) etwas größer dimensioniert sind, so dass ein Rand freien, nicht von der Leiterplatte bedeckten Dielektrikums am Rand der Aussparungen verbleibt.
Leistungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kühl- und Leiterplatte (10; 14) zur Aufnahme eines zusätzlichen Niederspannungsmoduls (40) im thermischen, aber elektrisch isolierten Kontakt auf dessen Außenseite dimensioniert ist.
Leistungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine plattenartige, die Halbleiterdimensionen überragende Zwischenschicht (44), die unter dem wenigstens einen Halbleiterbaustein (46) aus einem metallischen und elektrisch leitfähigen Material zwischengesetzt ist.