DE10334116A1

DE10334116A1 - Strahlungssystem, Strahlungsverfahren, Wärmepuffer, Halbleitermodul, Wärmeverteilungseinrichtung und Substrat

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Publication number: DE10334116A1
Application number: DE10334116A
Authority: DE
Inventors: Kyoichi Kariya Kinoshita; Takashi Kariya Yoshida; Tomohei Kariya Sugiyama; Hidehiro Kariya Kudo; Eiji Kariya Kono
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2003-07-25
Publication date: 2004-03-11
Also published as: US20040016748A1; JP2004063655A; FR2842942A1

Abstract

Ein Abstrahlungssystem beinhaltet einen Hochtemperaturkörper als Wärmequelle, einen Empfänger mit dem darauf angebrachten Hochtemperaturkörper und einen Wärmepuffer. Der Empfänger empfängt Wärme von dem Hochtemperaturkörper. Der Wärmepuffer ist zumindest zwischen dem Hochtemperaturkörper und dem Empfänger zwischengelagert, um eine Wärmeübertragung von dem Hochtemperaturkörper zu dem Empfänger zu puffern, er beinhaltet eine Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit sowie eine an einer dem Hochtemperaturkörper zugewandten Position angeordneten und in der Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit vergrabenen Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit, und er umfasst einen ersten Verbindungsbereich bezüglich des Hochtemperaturkörpers und einen zweiten Verbindungsbereich bezüglich des Empfängers. Der zweite Verbindungsbereich ist ausgedehnter als der erste Verbindungsbereich. Die Wärme von dem Hochtemperaturkörper wird durch den Empfänger abgestrahlt oder mittels des Empfängers abgestrahlt. Somit kann die Wärmeausdehnungsdifferenz zwischen dem Hochtemperaturkörper und dem Empfänger minimiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Strahlungssystem, ein Strahlungsverfahren und einen Wärmepuffer, die thermische Verspannungen abbauen, welche erzeugt werden, wenn Wärme von Hochtemperaturkörpern zu Empfängern übertragen wird. Somit ist es dem Strahlungssystem, dem Strahlungsverfahren und dem Wärmepuffer möglich, eine stabile Platinenanbringung für die Hochtemperaturkörper und Empfänger sicherzustellen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung Halbleitermodule, Wärmeverteilungseinrichtungen und Substrate, die Anwendungsformen des Strahlungssystems, des Strahlungsverfahrens und des Wärmepuffers sind.
Viele Komponententeile werden im Betrieb auf hohe Temperaturen erwärmt. Vom Standpunkt des Wärmewiderstandes gesehen ist es nötig, die Komponententeile mit einer angemessenen Abstrahlung zu versehen. Insbesondere elektrische Anwendungen und elektronische Anwendungen umfassen Vorrichtungen, deren Betriebstemperaturbereiche streng reguliert sind. Folglich ist es bei den elektrischen Anwendungen und den elektronischen Anwendungen wichtig, die Vorrichtungen mit einer Abstrahlung zu versehen. Nachstehend wird die Abstrahlung unter Bezugnahme auf ein Beispiel beschrieben, welches ein Halbleitermodul ist, bei dem Halbleitervorrichtungen auf einem Substrat angeordnet sind.
In Abhängigkeit von der Verwendung von Halbleitermodulen erzeugen Halbleitervorrichtungen üblicherweise Wärme, wobei sie hohe Temperaturen vorweisen. Um sicherzustellen, dass die Halbleitervorrichtungen stabil arbeiten, ist es unerlässlich, eine effiziente Abstrahlung bereitzustellen.
Bis jetzt wurde durch Halbleitervorrichtung erzeugte Wärme abgestrahlt, indem Halbleitervorrichtungen auf Substraten mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit befestigt wurden, und Wärmesenken auf den Substraten angeordnet wurden. Mit der Verkleinerung der Halbleiter steigt jedoch ihre Integration, und darüber hinaus wird eine derartige Abstrahlung wichtiger, umso größer die Größenordnung der in den Halbleitervorrichtungen fließenden Ströme ist.
Im Übrigen zeigen Silizium umfassende Halbleitervorrichtungen einen kleinen linearen Ausdehnungskoeffizienten wie etwa einige wenige ppm/°C. Wenn andererseits bei den Substraten, auf denen die Halbleiter angebracht werden, bei Untersuchungen Metalle wie etwa Kupfer in der Oberfläche vorliegen, zeigen sie einen größeren linearen Ausdehnungskoeffizienten wie etwa über zehn ppm/°C. Wenn also die Halbleitervorrichtungen und Substrate durch ein Lötmittel unmittelbar miteinander verbunden werden, treten folglich derartige Fehler auf, dass die Halbleitervorrichtungen sich von den Substraten aufgrund der Differenz zwischen den linearen Ausdehnungskoeffizienten lösen.

Um die Wärmedurchlässigkeit (oder Abstrahlungseigenschaft) von den Halbleitervorrichtungen zu den Substraten sowie die stabile Befestigungsbefähigung (oder Verbindungsbefähigung) der Halbleitervorrichtungen bezüglich der Substrate sicher zu stellen, werden Wärmeverteilungseinrichtungen mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit sowie einer geringen Ausdehnungsfähigkeit vorgeschlagen, um diese zwischen die Halbleiter und Substrate anzuordnen. Die Druckschrift JP-A-2000-77 582 sowie die Druckschrift JP-A-63-20 448 offenbaren beispielsweise Wärmeverteilungseinrichtungen. Die erstgenannte Veröffentlichung offenbart eine Wärmeverteilungseinrichtung, die einen aus Kupfer zusammengesetzten und in der Mitte angeordneten Kern mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit sowie einen aus einer Invar-Legierung mit einer geringen Ausdehnbarkeit zusammengesetzten und den äußeren Rand des Kerns umgebenden Rahmen umfasst. Die zuletzt genannte Veröffentlichung offenbart eine Wärmeverteilungseinrichtung, bei der eine Invar-Legierung mit einer geringen Ausdehnbarkeit von Kupfer mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit umgeben ist, was konträr zu der erstgenannten Veröffentlichung ist.

Bei der Druckschrift JP-A-2000-77 582 verhindert der Rahmen (d.h. die Invar-Legierung) eine thermische Ausdehnung des Kerns (d.h. des Kupfers). Folglich kann es vorkommen, dass die Verbindungsoberflächen des Kerns, die mit den Halbleitervorrichtungen und dem Substrat verbunden sind, in den Vertikalrichtungen anschwellen. Folglich kann die Wärmeverteilungseinrichtung nicht in der Lage sein, die Anhaftung zwischen der Halbleitervorrichtung und dem Substrat sicher zu stellen. Es können schließlich derartige Fehler auftreten, dass die Halbleitervorrichtungen sich von den Substraten ablösen.

Es scheint, dass die in der Druckschrift JP-A-63-20 448 offenbarte Wärmeverteilungseinrichtung nicht an diesem Nachteil leidet, und sie ist im Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit, den Wärmediffusionseffekt und die Verbindungsbefähigung gut. Ungeachtet der Leistungsfähigkeit der Wärmeverteilungseinrichtung an sich ist bei Untersuchung der in der Veröffentlichung offenbarten Wärmeverteilungseinrichtung bezüglich des Verbindungszusammenhangs zwischen den Wärmeverteilungseinrichtungen, den Halbleitervorrichtungen und dem Substrat ersichtlich, dass die gegenüberliegenden Oberflächen der Wärmeverteilungseinrichtungen mit den Halbleitervorrichtungen und dem Substrat auf dieselbe Weise verbunden sind. Im Einzelnen unterscheidet sich der Verbindungsbereich zwischen den Halbleitervorrichtungen und den Wärmeverteilungseinrichtungen wenig von dem Verbindungsbereich zwischen dem Substrat und den Wärmeverteilungseinrichtungen.

Wenn jedoch die Tatsache beachtet wird, dass sich der lineare Ausdehnungskoeffizient von Halbleitervorrichtungen von dem der Substrate von Natur aus unterscheidet, kann nicht notwendigerweise endgültig ausgesagt werden, dass es vernünftig ist, Wärmeverteilungseinrichtungen mit Halbleitervorrichtungen sowie mit Substraten auf dieselbe Weise zu verbinden, wenn dies von dem Standpunkt der Befestigungsbefähigung der Halbleitervorrichtungen bezüglich der Substrate gesehen wird.

Die Erfindung erfolgte in Anbetracht der vorstehend beschriebenen Umstände. Demzufolge liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Abstrahlungssystem, ein Abstrahlungsverfahren sowie einen Wärmepuffer bereitzustellen, welche die Verbindungsbefähigung (oder Befestigungsbefähigung) zwischen Halbleitermodulen sicherstellen können, nicht aber auf diesen Fall beschränkt sind, und die insbesondere bei Hochtemperaturkörpern und Empfängern anwendbar sind, die Wärme von den Hochtemperaturkörpern empfangen. Darüber hinaus werden Halbleitermodule, Wärmeverteilungseinrichtungen und Substrate bereitgestellt, die das Abstrahlungssystem, das Abstrahlungsverfahren und den Wärmepuffer verwenden.

Zur Lösung des Problems wurden intensive Studien unternommen. Als Ergebnis dieser Studien wurden die vorstehenden Verbindungsbereiche bei Wärmeverteilungseinrichtungen beispielsweise zwischen dem vorrichtungsseitigen Verbindungsbereich und dem substratseitigen Verbindungsbereich variiert. Dabei ergab sich die vorliegende Erfindung.

(Abstrahlungssystem)

Ein erfindungsgemäßes Abstrahlungssystem umfasst: einen Hochtemperaturkörper, der eine Wärmequelle ist; einen Empfänger mit dem darauf befestigten Hochtemperaturkörper, wobei der Empfänger Wärme von dem Hochtemperaturkörper empfängt; und ein Wärmepuffer, der zumindest zwischen dem Hochtemperaturkörper und dem Empfänger zwischengelagert ist, um eine Wärmeübertragung von dem Hochtemperaturkörper an den Empfänger zu puffern; wodurch die Wärme von dem Hochtemperaturkörper durch den Empfänger abgestrahlt wird, oder mittels des Empfängers abgestrahlt wird; wobei der Wärmepuffer eine Einrichtung mit guter Wärmeleitung sowie eine Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit umfasst, die an einer dem Hochtemperaturkörper zugewandten Position angeordnet und in der Einrichtung mit guter Wärmeleitung vergraben ist; und wobei der Wärmepuffer einen ersten Verbindungsbereich (oder einen hochtemperaturkörperseitigen Verbindungsbereich) bezüglich dem Hochtemperaturkörper sowie einen zweiten Verbindungsbereich (oder empfängerseitigen Verbindungsbereich) bezüglich des Empfängers umfasst, wobei der zweite Verbindungsbereich ausgedehnter als der erste Verbindungsbereich ist. Der zweite Verbindungsbereich kann vorzugsweise insbesondere auf die nachstehend aufgeführte Weise ausgedehnter als der erste Verbindungsbereich sein. Im Querschnitt des Wärmepuffers kann beispielsweise der Winkel, der durch eine diagonale Linie, die ein Ende des ersten Verbindungsbereichs mit einem Ende des zweiten Verbindungsbereichs verbindet, und eine vertikalen Linie ausgebildet ist, die sich von dem Ende des ersten Verbindungsbereichs zu dem zweiten Verbindungsbereich vertikal erstreckt, vorzugsweise 45° oder größer sein, wie es in 9 dargestellt ist.

Wenn nachstehend der Hochtemperaturkörper, der Empfänger und der Wärmepuffer als Halbleitervorrichtung, Substrat bzw. Wärmeverteilungseinrichtung betrachtet werden, ist es möglich, das erfindungsgemäße Strahlungssystem als Halbleitermodul zu begreifen. Die Erfindung kann beispielsweise als ein Halbleitermodul betrachtet werden mit: einer Halbleitervorrichtung, die eine Wärmequelle ist; einem Substrat mit der darauf befestigten Halbleitervorrichtung; und einer Wärmeverteilungseinrichtung, die zwischen der Halbleitervorrichtung und dem Substrat zur Diffusion von Wärme von der Halbleitervorrichtung zum Substrat zwischengelagert ist; wobei die Wärmeverteilungseinrichtung eine Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit sowie eine Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit umfasst, welche an einer der Halbleitervorrichtung zugewandten Position angeordnet und in der Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit vergraben ist; und wobei die Wärmeverteilungseinrichtung einen ersten Verbindungsbereich (oder einen vorrichtungsseitigen Verbindungsbereich) zwischen der Wärmeverteilungseinrichtung und der Halbleitervorrichtung und bezüglich der Halbleitervorrichtung sowie einen zweiten Verbindungsbereich (oder substratseitigen Verbindungsbereich) zwischen der Wärmeverteilungseinrichtung und dem Substrat und bezüglich dem Substrat aufweist, wobei der zweite Verbindungsbereich ausgedehnter als der erste Verbindungsbereich ist.

Wenn darüber hinaus der Hochtemperaturkörper, der Empfänger und der Wärmepuffer als Halbleitervorrichtung, Wärmesenke bzw. Substrat betrachtet werden, ist es möglich, das erfindungsgemäße Abstrahlungssystem als Halbleitermodul zu begreifen. Die Erfindung kann beispielsweise als Halbleitermodul betrachtet werden, mit: einer Halbleitervorrichtung, die eine Wärmequelle ist; einer Wärmesenke, die Wärme von dem Halbleiter empfängt; und einem Substrat mit gegenüberliegenden Oberflächen, das mit der Halbleitervorrichtung auf einer der gegenüberliegenden Oberflächen verbunden ist, und das mit der Wärmesenke auf der anderen der gegenüberliegenden Oberflächen zur Übertragung der Wärme von der Halbleitervorrichtung auf die Wärmesenke verbunden ist; wobei das Substrat eine Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit sowie eine Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit umfasst, die an einer der Halbleitervorrichtung zugewandten Position angeordnet und in der Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit vergraben ist; und wobei das Substrat einen ersten Verbindungsbereich (oder vorrichtungsseitigen Verbindungsbereich) zwischen dem Substrat und der Halbleitervorrichtung und bezüglich der Halbleitervorrichtung sowie einen zweiten Verbindungsbereich (oder wärmesenkenseitigen Verbindungsbereich) zwischen dem Substrat und der Wärmesenke und bezüglich der Wärmesenke aufweist, wobei der zweite Verbindungsbereich ausgedehnter als der erste Verbindungsbereich ist.

Wenn ferner der Hochtemperaturkörper, der Empfänger und der Wärmepuffer als Substrat, Wärmesenke bzw. Wärmeverteilungseinrichtung betrachtet werden, ist es möglich, das erfindungsgemäße Abstrahlungssystem als Halbleitermodul zu begreifen. Die Erfindung kann beispielsweise als Halbleitermodul betrachtet werden, mit: einem Substrat, das eine Wärmequelle ist; einer Wärmesenke, die Wärme von dem Substrat empfängt; und einer Wärmeverteilungseinrichtung mit gegenüberliegenden Oberflächen, die mit dem Substrat auf einer der gegenüberliegenden Oberflächen verbunden ist, und die mit der Wärmesenke mit der anderen der gegenüberliegenden Oberflächen zur Übertragung der Wärme von dem Substrat auf die Wärmesenke verbunden ist; wobei die Wärmeverteilungseinrichtung eine Einrichtung mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit und eine Einrichtung mit einer geringen Ausdehnungsfähigkeit umfasst, die an einer dem Substrat zugewandten Position angeordnet und in der Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit vergraben ist; und wobei die Wärmeverteilungseinrichtung einen ersten Verbindungsbereich (oder substratseitigen Verbindungsbereich) zwischen der Wärmeverteilungseinrichtung und dem Substrat und bezüglich dem Substrat sowie einen zweiten Verbindungsbereich (oder wärmesenkenseitigen Verbindungsbereich) zwischen der Wärmeverteilungseinrichtung und der Wärmesenke und bezüglich der Wärmesenke aufweist, wobei der zweite Verbindungsbereich ausgedehnter als der erste Verbindungsbereich ist.

(Abstrahlungsverfahren)

sDie vorliegende Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Abstrahlungssystem beschränkt, sondern kann als Abstrahlungsverfahren begriffen werden. Die Erfindung kann beispielsweise als Abstrahlungsverfahren zum Abstrahlen von Wärme von einem Hochtemperaturkörper als Wärmequelle durch einen Empfänger mit dem darauf angebrachten Hochtemperaturkörper betrachtet werden, wobei der Empfänger die Wärme von dem Hochtemperaturkörper empfängt oder die Wärme mittels des Empfängers abstrahlt, das Abstrahlungsverfahren umfasst dabei die Schritte: Herstellen eines zumindest zwischen dem Hochtemperaturkörper und dem Empfänger zwischengelagerten Wärmepuffers, um die Wärmeübertragung von dem Hochtemperaturkörper zu dem Empfänger zu puffern, wobei der Wärmepuffer eine Einrichtung mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit und eine Einrichtung mit einer geringen Ausdehnungsfähigkeit umfasst, die an einer dem Hochtemperaturkörper zugewandten Position angeordnet und in der Einrichtung mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit vergraben ist; und wobei der Wärmepuffer einen ersten Verbindungsbereich (oder hochtemperaturkörperseitigen Verbindungsbereich) bezüglich des Hochtemperaturkörpers sowie einen zweiten Verbindungsbereich (oder empfängerseitigen Verbindungsbereich) bezüglich des Empfängers umfasst, wobei der zweite Verbindungsbereich ausgedehnter als der erste Verbindungsbereich ist.

(Wärmepuffer)

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Abstrahlungssystem beschränkt, sondern es ist weiterhin möglich, die Erfindung als Wärmepuffer zu begreifen. Die Erfindung kann beispielsweise als Wärmepuffer betrachtet werden, der zumindest zwischen einem Hochtemperaturkörper als Wärmequelle und einem Empfänger mit dem darauf angebrachten Hochtemperaturkörper zwischengelagert ist, wobei der Empfänger Wärme von dem Hochtemperaturkörper empfängt, um die Wärmeübertragung von dem Hochtemperaturkörper zum Empfänger zu puffern, wobei der Wärmepuffer eine Einrichtung mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit sowie eine Einrichtung mit einer geringen Ausdehnungsfähigkeit umfasst, die an einer dem Hochtemperaturkörper zugewandten Position angeordnet und in der Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit vergraben ist; und wobei der Wärmepuffer einen ersten Verbindungsbereich (oder hochtemperaturkörperseitigen Verbindungsbereich), der bezüglich dem Hochtemperaturkörper angeordnet ist, sowie einen zweiten Verbindungsbereich (oder empfängerseitigen Verbindungsbereich) umfasst, der bezüglich dem Empfänger angeordnet ist, wobei der zweite Verbindungsbereich ausgedehnter als der erste Verbindungsbereich ist.

Wenn nachstehend der Hochtemperaturkörper und der Empfänger als Halbleitervorrichtung bzw. Substrat betrachtet werden, ist es möglich, den vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Wärmepuffer als Wärmeverteilungseinrichtung zu begreifen. Die vorliegende Erfindung kann beispielsweise als Wärmeverteilungseinrichtung betrachtet werden, die zwischen einer Halbleitervorrichtung als Wärmequelle und einem Substrat mit der darauf befestigten Halbleitervorrichtung zwischengelagert ist, um Wärme von der Halbleitervorrichtung zum Substrat zu diffundieren, wobei die Wärmeverteilungseinrichtung eine Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit sowie eine Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit umfasst, die an einer der Halbleitervorrichtung zugewandten Position angeordnet und in der Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit vergraben ist; und wobei die Wärmeverteilungseinrichtung einen ersten Verbindungsbereich (oder vorrichtungsseitigen Verbindungsbereich) zwischen der Wärmeverteilungseinrichtung und der Halbleitervorrichtung und bezüglich der Halbleitervorrichtung sowie einen zweiten Verbindungsbereich (oder substratseitigen Verbindungsbereich) zwischen der Wärmeverteilungseinrichtung und dem Substrat und bezüglich dem Substrat aufweist, wobei der zweite Verbindungsbereich ausgedehnter als der erste Verbindungsbereich ist.

Wenn ferner der Hochtemperaturkörper und der Empfänger als Halbleitervorrichtung bzw. Wärmesenke betrachtet werden, ist es möglich, den vorliegend beschriebenen erfindungsgemäßen Wärmepuffer als Substrat zu begreifen. Die Erfindung kann beispielsweise als Substrat mit gegenüberliegenden Oberflächen begriffen werden, das mit einer Halbleitervorrichtung als Wärmequelle auf einer der gegenüberliegenden Oberflächen verbunden ist, und das mit einer Wärmesenke auf der anderen der gegenüberliegenden Oberflächen verbunden ist, die Wärme von der Halbleitervorrichtung zum Übertragen der Wärme von der Halbleitervorrichtung zur Wärmesenke empfängt, wobei das Substrat eine Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit und eine Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit umfasst, die an einer der Halbleitervorrichtung zugewandten Position angeordnet und in der Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit vergraben ist; und wobei das Substrat einen ersten Verbindungsbereich (oder einen vorrichtungsseitigen Verbindungsbereich) zwischen dem Substrat und der Halbleitervorrichtung und bezüglich der Halbleitervorrichtung sowie einen zweiten Verbindungsbereich (wärmesenkenseitigen Verbindungsbereich) zwischen dem Substrat und der Wärmesenke und bezüglich der Wärmesenke aufweist, wobei der zweite Verbindungsbereich ausgedehnter als der erste Verbindungsbereich ist.

Wenn darüber hinaus der Hochtemperaturkörper und der Empfänger als Substrat bzw. Wärmesenke betrachtet werden, ist es möglich, den vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Wärmepuffer als Wärmeverteilungseinrichtung zu begreifen. Die Erfindung kann beispielsweise als eine Wärmeverteilungseinrichtung mit gegenüberliegenden Oberflächen betrachtet werden, die mit einem Substrat als Wärmequelle auf einer der gegenüberliegenden Oberflächen verbunden ist, und die mit einer Wärme von dem Substrat empfangenden Wärmesenke auf der anderen der gegenüberliegenden Oberflächen verbunden ist, um die Wärme von dem Substrat auf die Wärmesenke zu übertragen, wobei die Wärmeverteilungseinrichtung eine Einrichtung mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit sowie eine Einrichtung mit einer geringen Ausdehnungsfähigkeit umfasst, die an einer der Halbleitervorrichtung zugewandten Position angeordnet und in der Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit vergraben ist; und wobei die Wärmeverteilungseinrichtung einen ersten Verbindungsbereich (oder substratseitigen Verbindungsbereich) zwischen der Wärmeverteilungseinrichtung und dem Substrat und bezüglich dem Substrat sowie einen zweiten Verbindungsbereich (oder wärmesenkenseitigen Verbindungsbereich) zwischen der Wärmeverteilungseinrichtung und der Wärmesenke und bezüglich der Wärmesenke aufweist, wobei der zweite Verbindungsbereich ausgedehnter als der erste Verbindungsbereich ist.

Dabei kann die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Wärmeverteilungseinrichtung eine einfache Wärmediffusionsfunktion aber auch die Funktionen einer Wärmesenke aufweisen. Soweit zutreffend, wird zudem nachstehend eine zwischen einer Halbleitervorrichtung und einem Substrat zwischengelagerte Wärmeverteilungseinrichtung nachstehend mit vorrichtungsseitige Wärmeverteilungseinrichtung bezeichnet, und eine zwischen einem Substrat und einer Wärmesenke zwischengelagerte Wärmeverteilungseinrichtung wird nachstehend mit substratseitige Wärmeverteilungseinrichtung bezeichnet. Zudem kann eine Wärmesenke einfache metallische Platten aufweisen, deren Hauptbestandteil Kupfer oder Aluminium ist. Die Wärmesenke kann die gesamte Umhüllung von Halbleitermodulen wie auch einen Teil der Umhüllung bilden. Darüber hinaus ist es möglich, flüssigkeitsgekühlte Wärmesenken zu verwenden, bei denen ein Kühlmittel (beispielsweise Kühlwasser) gehalten wird oder fließt, um die Kühleffizienz zu verbessern.

Zusätzlich werden vorliegend Begriffe wie etwa „befestigt" verwendet. Dabei beschränkt der Begriff jedoch nicht unmittelbar die positionellen Zusammenhänge zwischen dem Hochtemperaturkörper und dem Empfänger und dergleichen. Es kommt beispielsweise nicht darauf an, ob der Hochtemperaturkörper und der Empfänger in vertikaler Weise, horizontaler Weise usw. angeordnet sind. Außerdem können zwischengelagerte Objekte zwischen dem Hochtemperaturkörper und dem Empfänger vorliegen.

Die vorstehend beschriebenen Halbleitermodule sind einige Beispiele, welche die vorliegende Erfindung beispielhaft verkörpern. Im Einzelnen sind die Halbleitermodule beispielhaft angegeben, bei denen entweder die Wärmeverteilungseinrichtung oder das Substrat als Wärmepuffer verwendet wird. Es ist jedoch möglich, Halbleitermodule und dergleichen zu bilden, indem der vorliegende Wärmepuffer auf eine Vielzahl von Komponenten wie etwa die vorrichtungsseitige Wärmeverteilungseinrichtung, das Substrat und die substratseitige Wärmeverteilungseinrichtung geeignet angewendet wird.

Nachstehend werden die Betriebsweise und die Vorteile der vorliegenden Erfindung im Einzelnen beschrieben, während ein Halbleiter beispielhaft angegeben wird, bei dem der vorliegende Wärmepuffer als Wärmeverteilungseinrichtung verwendet wird. Bei dem vorliegenden Halbleitermodul, das nicht auf die Wärmeverteilungseinrichtung beschränkt ist, bei der die Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit in der Einrichtung mit hoher Leitfähigkeit vergraben ist, werden die jeweiligen Verbindungsbereiche zwischen der Wärmeverteilungseinrichtung und dem Halbleitermodul sowie zwischen der Wärmeverteilungseinrichtung und dem Substrat geeignet angeordnet. Während die Wärmediffusionseigenschaft und die Abstrahlungseigenschaft sichergestellt sind, ist es demzufolge ebenfalls möglich, eine stabilere Befestigungsbefähigung der Halbleitervorrichtung bezüglich des Substrats sicherzustellen. Im Einzelnen ist gemäß vorstehender Beschreibung der substratseitige Verbindungsbereich (oder zweite Verbindungsbereich) ausgedehnter als der vorrichtungsseitige Verbindungsbereich (oder erste Verbindungsbereich). Es ist nicht notwendigerweise genau festgelegt, warum die Anordnung die Befestigungsbefähigung der Halbleitervorrichtung bezüglich des Substrats weiter stabilisiert. Es wird jedoch von folgendem ausgegangen.

Dabei wird zur Vereinfachung der Beschreibung ein Fall beispielhaft angegeben, bei dem die Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit in der Mitte des vertikalen Querschnitts der Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit vergraben ist.

Der lineare Ausdehnungskoeffizient von Halbleitervorrichtungen ist im Allgemeinen klein und die Größenordnung der Wärmeausdehnung ist ebenfalls gering. Andererseits weisen Substrate mit darauf befestigten Halbleitern Metalle wie etwa Kupfer zumindest benachbart zur Oberfläche auf, und der lineare Ausdehnungskoeffizient ist groß, weswegen die Größenordnung der Wärmeausdehnung ebenfalls groß ist. Aufgrund dieser Tatsachen ist es ideal, dass die Größenordnung der Wärmeausdehnung der Wärmeverteilungseinrichtungen nahe bei der von Halbleitervorrichtungen auf der vorrichtungsseitigen Verbindungsoberfläche liegt, und dass die Größenordnung der Wärmeausdehnung nahe bei der von Substraten auf der substratseitigen Verbindungsoberfläche ist, weil die zwischen diesen angeordneten Wärmeverteilungseinrichtungen die lineare Wärmeausdehnungsdifferenz zwischen ihnen absorbieren und abbauen. Genauer ist es erforderlich, dass die Größenordnung der Wärmeausdehnung auf der vorrichtungsseitigen Verbindungsoberfläche der Wärmeverteilungseinrichtungen vergleichsweise niedrig ist, und dass die Größenordnung der Wärmeausdehnung auf der substratseitigen Verbindungsoberfläche der Wärmeverteilungseinrichtung vergleichsweise groß ist.

Nachstehend wird der Fall betrachtet, bei dem Halbleitervorrichtungen auf hohe Temperaturen unter Verwendung von Halbleitermodulen erwärmt werden, und die Temperatur der Wärmeverteilungseinrichtungen aus einer Übergangsperiode in eine stabile Periode eintritt. Mit anderen Worten wird der Fall betrachtet, bei dem Wärmeverteilungseinrichtungen eine im Wesentlichen homogene Temperatur als Ganzes zeigen. Wenn bei diesem Beispiel Wärmeverteilungseinrichtungen unabhängig beobachtet werden, scheint es, dass die Größenordnung der Gesamtwärmeausdehnung auf der vorrichtungsseitigen Verbindungsoberfläche sowie auf der substratseitigen Verbindungsoberfläche im Wesentlichen gleich ist, solange die Einrichtung mit dem geringen Ausdehnungskoeffizienten in der Mitte der Einrichtung mit der hohen Wärmeleitfähigkeit vergraben ist. Wenn jedoch die Verteilung der Größenordnungen der lokalen Wärmeausdehnung untersucht wird, sollte die Größenordnung der Wärmeausdehnung der Wärmeverteilungseinrichtungen in der Nähe der Einrichtung mit der geringen Ausdehnungsfähigkeit aufgrund der Einschränkung dieser Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit reduziert sein. Wenn wie bei den vorliegenden Halbleitermodulen Halbleitervorrichtungen mit dem lokalen Bereich der Wärmeverteilungseinrichtungen verbunden werden, wo die Größenordnung der Wärmeausdehnung aufgrund der Beschränkung durch die Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit reduziert wird, ist es möglich, die Wärmeausdehnungsdifferenz zwischen den Wärmeverteilungseinrichtungen und den Halbleitervorrichtungen zu reduzieren. Demgegenüber seien Wärmeverteilungseinrichtungen als Ganzes betrachtet, wenn Substrate mit dem breiten Bereich der Wärmeverteilungseinrichtungen verbunden sind, wo die Wärmeverteilungseinrichtungen eine ausgedehnte Wärmeausdehnungsgröße zeigen, dabei ist es möglich, die Wärmeausdehnungsdifferenz an der Verbindungsoberfläche zwischen den Wärmeverteilungseinrichtungen sowie den Substraten zu verringern.

Vorstehend ist ein Halbleitermodul beschrieben, das den vorliegenden Wärmepuffer als Wärmeverteilungseinrichtung verwendet. Es ist jedoch möglich, anzunehmen, dass ein den vorliegenden Wärmepuffer als Substrat verwendendes Halbleitermodul auf dieselbe Weise arbeitet und Vorteile bewirkt. Darüber hinaus sind die vorliegend beschriebenen Situationen nicht auf Halbleitermodule beschränkt, sondern in ähnlicher Weise auf Dreischichtstrukturen anwendbar, die einen Hochtemperaturkörper, einen Empfänger und einen zwischen dem Hochtemperaturkörper und dem Empfänger zwischengelagerten Wärmepuffer umfassen. Zudem ist der Fall beispielhaft angegeben, bei dem die Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit in der Mitte der Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit vergraben ist, um die Erfindung zu beschreiben. Natürlich ist die Erfindung nicht auf diese Anordnung beschränkt. Je näher beispielsweise die Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit bezüglich dem Hochtemperaturkörper (beispielsweise Halbleitervorrichtungen) angeordnet ist, umso mehr nehmen die Wärmeausdehnungsdifferenzen zwischen dem Hochtemperaturkörper und dem Wärmepuffer (beispielsweise Wärmeverteilungseinrichtungen oder Substrate) und zwischen dem Wärmepuffer und dem Empfänger (beispielsweise Substraten oder Wärmesenken) ab.

Soweit die Einrichtung mit dem geringen Ausdehnungskoeffizienten an einer dem Hochtemperaturkörper zugewandten Position angeordnet ist, kann sie von derselben Größe (oder demselben Umfang) wie die Verbindungsoberfläche des Hochtemperaturkörpers sein, oder es können voneinander verschiedene Größen vorliegen. Darüber hinaus kann die eine und einzige Einrichtung mit geringem Ausdehnungskoeffizienten in der Einrichtung mit der hohen Wärmeleitfähigkeit vergraben sein, oder sie kann in Stücke unterteilt und darin vergraben sein. Zudem ist es möglich, die Größenordnung der Wärmeausdehnung des Wärmepuffers zu steuern, indem nicht nur die Anordnung der Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit in dem Wärmepuffer eingestellt wird, sondern auch indem das Verhältnis der Volumen-Inanspruchnahme der Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit darin eingestellt wird. Wenn beispielsweise das Verhältnis der Volumen-Inanspruchnahme der Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit erhöht wird, ist es möglich, die Größenordnung der Wärmeausdehnung des gesamten Wärmepuffers zu reduzieren. Wenn die Anordnung oder das Verhältnis der Volumen-Inanspruchnahme der Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit in dem Wärmepuffer derart eingestellt wird, ist es möglich, die Wärmeausdehnungsdifferenz an der Verbindungsoberfläche zwischen dem Hochtemperaturkörper und dem Empfänger effizienter abzubauen.

Tatsächlich ist es wichtig, dass der Wärmepuffer bezüglich der Wärmeleitfähigkeit gut ist, weil der Wärmepuffer die Wärme von dem Hochtemperaturkörper zu dem Empfänger effektiv diffundiert oder abstrahlt. Die Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit, bei der die Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit vergraben ist, weist diese Funktion auf. Daher ist es geeignet, dass der Wärmepuffer die Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit und die Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit umfasst, die in der Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit vergraben ist, und deren äußere Randoberfläche durch die Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit umgeben ist. Der Grund hierfür ist, dass obwohl die Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit im Allgemeinen bezüglich der Wärmeleitfähigkeit schlecht ist, stellt die Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit einen großen Wärmepfad bereit, wenn die Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit die Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit umgibt. Es ist jedoch nicht notwendigerweise erforderlich, dass die Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit die gesamte äußere Oberfläche der Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit vollständig umgibt. Es ist beispielsweise sogar akzeptabel, falls die Endoberflächen der Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit nicht durch die Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit umgeben sind.

Im Übrigen ist die erfindungsgemäße Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit solange befriedigend, wie sie einen kleineren linearen Ausdehnungskoeffizienten als die Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit zeigt. Um die Freiheitsgrade beim Entwurf des Wärmepuffers weiter zu erhöhen, ist es tatsächlich geeignet, dass die Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit ein Material umfassen kann, dessen linearer Ausdehnungskoeffizient kleiner als der des Hochtemperaturkörpers ist. Der Grund hierfür ist, dass es mit der Anordnung möglich ist, die thermische Ausdehnungsdifferenz zwischen dem Hochtemperaturkörper und dem Empfänger effektiver abzubauen, wenn die Anordnung, Konfiguration und das Volumen-Inanspruchnahmeverhältnis der Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit angemessen eingestellt werden. Als Material für die Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit ist beispielsweise eine Invar-Legierung geeignet. Der Grund hierfür ist, dass eine Invar-Legierung nicht so teuer ist, und bezüglich der Formbarkeit gute Eigenschaften aufweist. Dabei gibt es viele Invar-Legierungen wie etwa ferromagnetische Invar-Legierungen, eisenbasierte amorphe Invar-Legierungen und Eisen-Nickel-basierte antiferromagnetische Invar-Legierungen, bei denen Chrom einen Teil des Nickels ersetzt. Zieht man den Betriebstemperaturbereich, die Verarbeitbarkeit, die Kosten, magnetische oder nicht-magnetische Eigenschaften in Betracht, ist es möglich, Invar-Legierungen auszuwählen, die für die Verwendung der Halbleitermodule geeignet sind. Demzufolge sind erfindungsgemäß die Art und Zusammensetzung von Invar-Legierungen nicht besonders beschränkt. Es ist beispielsweise möglich, gut bekannte ferromagnetische Invar-Legierungen wie etwa Fe-36%Ni (wobei vorliegend und nachstehend Massen-% gemeint sind) und Fe-31%-5%Co, eine Super-Invar-Legierung, zu verwenden.

Die Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit, bei der die Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit vergraben ist, ist befriedigend, solange sie bezüglich der Wärmeleitfähigkeit besser als die Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit ist. Damit eine gute Wärmediffusionseigenschaft als Wärmepuffer (insbesondere als Wärmeverteilungseinrichtung oder Substrat) sicherzustellen, kann darüber hinaus die Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit tatsächlich ein reines Metall oder eine Legierung sein, deren Hauptbestandteil Kupfer oder Aluminium ist, da diese nicht so teuer sind und eine gute Formbarkeit zeigen.

Umso besser dabei der Empfänger bezüglich der Wärmeleitfähigkeit ist, umso mehr ist er geeignet. Es kommt jedoch nicht darauf an, aus welchem Material der Empfänger ausgebildet ist. Darüber hinaus kann der Empfänger Materialien umfassen, deren Größenordnung der Wärmeausdehnung groß ist. Der Grund hierfür ist, dass es möglich ist, die Größenordnung der Wärmeausdehnung auf der empfängerseitigen Verbindungsoberfläche des erfindungsgemäßen Wärmepuffers vergleichsweise groß auszubilden. Daher ist der Empfänger befriedigend, wenn er einen metallischen Körper mit einer metallischen Materialbasis umfasst. Es ist beispielsweise erfindungsgemäß möglich, nicht nur mit Kupfer ausgefütterte Keramiksubstrate zu verwenden, deren Größenordnung der Wärmeausdehnung gering ist, sondern auch metallische Substrate, deren Größenordnung der Wärmeausdehnung im Hinblick auf Substrate mit darauf befestigten Halbleitern groß ist. Dabei sind metallische Substrate vorteilhaft bei der Reduktion der Kosten der Halbleitermodule, weil metallische Substrate im Vergleich zu keramischen Substraten weniger teuer sind.

Die Erfindung wird nachstehend ausführlich anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Schnittansicht zur Darstellung eines Energiemoduls gemäß Beispiel Nr. 1 der Erfindung;
2 eine Hauptschnittansicht zur Darstellung eines Energiemoduls gemäß Beispiel Nr. 2 der Erfindung;
3 eine Hauptschnittansicht zur Darstellung eines Energiemoduls gemäß Beispiel Nr. 3 der Erfindung;
4 eine Hauptschnittansicht zur Darstellung eines Energiemoduls gemäß Beispiel Nr. 4 der Erfindung;
5 eine Hauptschnittansicht zur Darstellung eines Energiemoduls gemäß Beispiel Nr. 5 der Erfindung;
6 eine Hauptschnittansicht zur Darstellung eines Energiemoduls gemäß Beispiel Nr. 6 der Erfindung;
7 eine Hauptschnittansicht zur Darstellung einer Wärmeverteilungseinrichtung gemäß Beispiel Nr. 1 der Erfindung;
8 eine Hauptschnittansicht zur Darstellung eines Energiemoduls gemäß Beispiel Nr. 7 der Erfindung; und
9 eine Schnittansicht zur Darstellung des Flächenzusammenhangs zwischen einem ersten Verbindungsbereich und einem zweiten Verbindungsbereich.
Nach der vorstehend angegebenen allgemeinen Beschreibung der Erfindung wird diese nachstehend anhand von speziellen bevorzugten Ausführungsbeispielen näher beschrieben, welche lediglich zur Darstellung angegeben sind, und nicht dazu gedacht sind, den Bereich der beigefügten Patentansprüche einzuschränken.
Beispiele
Nachstehend wird die Erfindung anhand von speziellen Beispielen von Halbleitermodulen als Beispiel des erfindungsgemäßen Abstrahlungssystems näher beschrieben.
(Beispiel Nr. 1)
1 zeigt eine Hauptschnittansicht eines Energiemoduls 100 (d.h. eines Halbleitermoduls) gemäß Beispiel Nr. 1 der Erfindung. Das Energiemodul 100 kann beispielsweise bei Invertern zum Steuern des Betriebs eines Drei-Phasen-Induktionsmotors verwendet werden.
Das Energiemodul 100 umfasst Halbleitervorrichtungen 10, ein metallisches Substrat 20 und Wärmeverteilungseinrichtungen 30. Die Halbleitervorrichtungen 10 können eine Vielzahl von Halbleitervorrichtungen wie etwa ein Leistungs-MOSFET (d.h. Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistor) sein. Die Halbleitervorrichtungen 10 sind auf dem metallischen Substrat 20 befestigt, das aus Kupfer ausgebildet ist. Die Wärmeverteilungseinrichtungen 30 sind zwischen den Halbleitervorrichtungen 10 und dem metallischen Substrat 20 angeordnet. Zur Vereinfachung zeigt 1 lediglich die Umgebung einer der Halbleitervorrichtungen 10.
Die Verbindung (d.h. vorrichtungsseitige Verbindung) zwischen den Halbleitervorrichtungen 10 und den Wärmeverteilungseinrichtungen 30 wird durch ein Lötmittel 41 ausgeführt. Die Verbindung (d.h. substratseitige Verbindung) zwischen dem metallischen Substrat 20 und den Wärmeverteilungseinrichtungen 30 wird durch ein Lötmittel 42 ausgeführt. Dabei ist es möglich, die Verbindung durch das Lötmittel 41 und das Lötmittel 42 gleichzeitig wie bei einem Hartlötvorgang auszuführen. Bei dem vorliegenden Beispiel Nr. 1 wird jedoch die substratseitige Verbindung zunächst durch das Lötmittel 42 mit einem hohen Schmelzpunkt ausgeführt. Danach wird die vorrichtungsseitige Verbindung durch das Lötmittel 41 mit einem geringen Schmelzpunkt ausgeführt.
Die Wärmeverteilungseinrichtungen 30 umfassen ein Ummantelungsmaterial. Das Ummantelungsmaterial umfasst eine Einrichtung 31 mit hoher Wärmeleitfähigkeit, und ein durch die Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit 31 umgebene Einrichtung 32 mit geringer Ausdehnungsfähigkeit. Die Einrichtung 31 mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist aus Kupfer zusammengesetzt. Die Einrichtung 32 mit geringer Ausdehnungsfähigkeit ist in der Mitte der Wärmeverteilungseinrichtungen 30 angeordnet, und ist aus einer Fe-36%Ni-Invar-Legierung zusammengesetzt. Daher sind gemäß 1 die Wärmeverteilungseinrichtungen 30 als Dreischichtaufbau in vertikaler Richtung ausgebildet.
Bei Beispiel 1 beträgt die Gesamtdicke der Wärmeverteilungseinrichtungen 30 beispielsweise etwa 1 mm. Bei den Wärmeverteilungseinrichtungen 30 wurde die Dicke der Invar-Legierung zu einem Drittel der Gesamtdicke der Wärmeverteilungseinrichtungen 30 gesteuert und betrug demzufolge etwa 0,3 mm. Darüber hinaus betrug die Gesamtdicke der Wärmeverteilungseinrichtungen 30 12 mm und die Breite der Invar-Legierung betrug 7 mm. Die Linearausdehnungskoeffizienten der Wärmeverteilungseinrichtungen 30 wurden wie folgt herausgefunden. An Stellen unmittelbar über der Invar-Legierung sowie an Abschnitten unmittelbar unter der Invar-Legierung betrug der lineare Ausdehnungskoeffizient gleichermaßen 10,5 ppm/°C. Andererseits zeigten die um die Invar-Legierung angeordneten Kupfer enthaltenden Wärmeverteilungseinrichtungen 30 einen Gesamtlinearausdehnungskoeffizienten von 13,3 ppm/°C. Der lineare Ausdehnungskoeffizient der Halbleitervorrichtungen 10 lag zum Vergleich bei etwa 4 ppm/°C und der lineare Ausdehnungskoeffizient des metallischen Substrats 20 betrug etwa 17 ppm/°C.
Bei Beispiel Nr. 1 sind die Wärmeverteilungseinrichtungen 30 mit den Halbleitervorrichtungen 10 an den Bereichen verbunden (d.h. vorrichtungsseitigen Verbindungsoberflächen F1), wo der lineare Ausdehnungskoeffizient lokal reduziert ist. Wenn darüber hinaus die Wärmeverteilungseinrichtungen 30 mit dem metallischen Substrat 20 verbunden sind, werden die Bereiche (d.h. substratseitigen Verbindungsbereiche F2) verwendet, wo der lineare Ausdehnungskoeffizient erhöht ist. Die Anordnung entspricht dem Anordnen der Einrichtungen 32 mit geringer Ausdehnungsfähigkeit an den Halbleitervorrichtungen 10 zugewandten Positionen sowie dem erfindungsgemäßen Umstand, dass die substratseitigen Verbindungsbereiche ausgedehnter als die vorrichtungsseitigen Verbindungsbereiche sind.
Aus Beispiel Nr. 1 ist ersichtlich, dass es möglich ist, lineare Ausdehnungskoeffizienten zu erhalten, die viel näher an den linearen Ausdehnungskoeffizienten der mit diesen zu verbindenden Elementen an den jeweiligen Verbindungsoberflächen liegen, selbst wenn die Wärmeverteilungseinrichtungen 30 sowohl vertikal als auch horizontal als symmetrische Konstruktion ausgebildet sind. Folglich kann die Wärmeausdehnungsdifferenz zwischen den Halbleitervorrichtungen 10 und dem metallischen Substrat 20 effizienter abgebaut werden. Im Einzelnen kann verhindert werden, dass die Halbleitervorrichtungen 10 und Wärmeverteilungseinrichtungen 30 sich von dem metallischen Substrat 20 ablösen. Folglich ist es möglich, die Anbringungsstabilität der Halbleitervorrichtungen 10 bezüglich dem metallischen Substrat 20 auf einem höheren Niveau sicherzustellen.
Dabei wird die durch die Halbleitervorrichtungen 10 erzeugte Wärme an das metallische Substrat 20 über das Kupfer (d.h. die Einrichtung 31 mit hoher Wärmeleitfähigkeit 30 übertragen), welche eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Daher muss sichergestellt werden, dass die Wärmeverteilungseinrichtungen 30 den Wärmediffusionseffekt vollständig erzeugen.
(Beispiel Nr. 2)
2 zeigt ein Energiemodul 200 gemäß Beispiel Nr. 2 der Erfindung. Das Energiemodul 200 ist mit Wärmeverteilungseinrichtungen 230 versehen, dessen Gestalt gegenüber der der Wärmeverteilungseinrichtungen 30 bei Beispiel Nr. 1 variiert ist. Dabei bezeichnen in der Zeichnung die gleichen Bezugszeichen dieselben Bestandteile wie bei Beispiel Nr. 1.
Bei den Wärmeverteilungseinrichtungen 230 wird eine Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit 231 verwendet, deren Querschnitt trapezförmig ausgebildet ist, anstelle der bei Beispiel Nr. 1 verwendeten rechteckigen parallelflachen Einrichtungen 31 mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Wenn die Anordnung von Kupfer, dessen linearer Ausdehnungskoeffizient groß ist, somit optimiert wird, ist es möglich, die linearen Ausdehnungskoeffizienten an den vorrichtungsseitigen Verbindungsoberflächen F1 sehr viel näher bei dem linearen Ausdehnungskoeffizienten der Halbleitervorrichtungen 10 auszubilden.
(Beispiel Nr. 3)
3 zeigt einen Hauptquerschnitt eines Energiemoduls 300 gemäß Beispiel Nr. 3 der Erfindung. Das Energiemodul 300 umfasst Halbleitervorrichtungen 310, metallische Substrate 320, ein Gehäuse 350 sowie Wärmeverteilungseinrichtungen 330. Die Substrate 320 sind mit den Halbleitervorrichtungen 310 durch ein Lötmittel 341 verbunden. Die Substrate 320 sind auf dem Gehäuse 350 des Energiemoduls 300 befestigt. Die Wärmeverteilungseinrichtungen 330 sind zwischen dem Substrat 320 und dem Gehäuse 350 angeordnet. Zur Vereinfachung zeigt 3 lediglich die Umgebung einer der Halbleitervorrichtungen 310. Bei Beispiel 3 ist das Gehäuse 350 aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet, die bezüglich der Wärmeleitfähigkeit gut ist und außerdem als Wärmesenke arbeitet. Dabei ist das Energiemodul 300 bezüglich der Abstrahlungsbefähigung verbessert, wenn es um die äußere Peripherie mit Luft kühlenden Lamellen versehen wird, oder wenn ein Kühlmittel darin zur Verbesserung der Kühlungseffizienz fließt, obwohl diese Anordnungen in der Zeichnung nicht gezeigt sind. Darüber hinaus zeigt das aus der Aluminiumlegierung ausgebildete Gehäuse 350 einen linearen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 24 ppm/°C.
Die Substrate 320 sind keramische Isolatorsubstrate mit jeweils einer doppelseitigen Kupferverkleidung. Das keramische Isolatorsubstrat umfasst eine am Zentralkern angeordnete keramische Platte 321, sowie Leiterbahnschichten 322, 323 aus Kupfer, die auf den gegenüberliegenden Oberflächen der keramischen Platte 321 angeordnet sind. Zusätzlich zu Kupfer können die Leiterbahnschichten 322, 323 aus Aluminium ausgebildet sein. Ein derartiges keramisches Isolatorsubstrat ist unter Marken wie etwa „DBA" (d.h. Direct Brazed Aluminum – direkt hartgelötetes Aluminium) und „DBC" (d.h. Direct Bond Copper – direkt verbundenes Kupfer) erhältlich.
Auf dieselbe Weise wie bei Beispiel Nr. 1 umfassen die Wärmeverteilungseinrichtungen 330 ein Ummantelungsmaterial. Das Ummantelungsmaterial umfasst eine Einrichtung 331 mit hoher Wärmeleitfähigkeit und eine von der Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit umgebene Einrichtung 332 mit geringer Ausdehnungsfähigkeit. Die Einrichtung 331 mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist aus Kupfer zusammengesetzt. Die Einrichtung 332 mit geringer Ausdehnungsfähigkeit ist in der Mitte der Wärmeverteilungseinrichtungen 330 angeordnet und aus einer Fe-36%Ni-Invar-Legierung zusammengesetzt.
Die Verbindung (d.h. die substratseitige Verbindung) zwischen dem Wärmeverteilungseinrichtungen 330 und den Substraten 320 erfolgt durch ein Lötmittel 342. Die Verbindung (d.h. gehäuseseitige Verbindung) zwischen den Wärmeverteilungseinrichtungen 330 und dem Gehäuse 350 wird durch ein Lötmittel 343 ausgeführt. Auch bei Beispiel Nr. 3 sind die Substrate 320 an den Einrichtungen 332 mit geringer Ausdehnungsfähigkeit zugewandten Positionen angeordnet, und die gehäuseseitigen Verbindungsbereiche (oder wärmesenkeseitigen Verbindungsbereiche) sind ausgedehnter als die substratseitigen Verbindungsbereiche. Zudem sind auch bei Beispiel Nr. 3 die Wärmeverteilungseinrichtungen 330 mit den Substraten 320 an den Bereichen verbunden (d.h. substratseitigen Verbindungsoberflächen F1), wo der lineare Ausdehnungskoeffizient lokal reduziert ist. Ferner sind die Wärmeverteilungseinrichtungen 330 mit dem Gehäuse 350 an den Bereichen verbunden (d.h. gehäuseseitige Verbindungsbereiche F2), wo der lineare Ausdehnungskoeffizient erhöht ist. Folglich wird die Differenz zwischen den linearen Ausdehnungskoeffizienten an den Verbindungsoberflächen reduziert, so dass die Anbringungsstabilität der Substrate 320 bezüglich des Gehäuses 350 verbessert ist. Darüber hinaus wird ähnlich wie bei Beispiel Nr. 1 die durch das Substrat 330 erzeugte Wärme an das Gehäuse 350 mittels des Kupfers (d.h. der Einrichtung 331 mit hoher Wärmeleitfähigkeit) übertragen, welches bezüglich der Wärmeleitfähigkeit gut ist, und folglich ist sichergestellt, dass die Wärmeverteilungseinrichtungen 330 in vollem Umfang den Wärmediffusionseffekt erzeugen.
Da zudem sehr teure Kompositmaterialien wie etwa CuMo und Al/SiC als Wärmeverteilungseinrichtungen im Stand der Technik verwendet wurden, verhinderten diese eine Kostenreduktion bei den Energiemodulen. Da demgegenüber das vorstehend beschriebene bei Beispiel Nr. 3 verwendete Kompositmaterial weniger teuer ist, macht es eine Kostenreduktion der Leistungsmodule leicht.
(Beispiel Nr. 4)
4 zeigt ein Leistungsmodul 400 gemäß Beispiel Nr. 4 der Erfindung. Das Leistungsmodul 400 wird mit Wärmeverteilungseinrichtungen 430 versehen, dessen Gestalt gegenüber der von den Wärmeverteilungseinrichtungen 30 bei Beispiel Nr. 1 variiert ist. Dabei bezeichnen bei der Zeichnung die gleichen Bezugszeichen dieselben Bestandteile wie bei Beispiel Nr. 1.
Bei den Wärmeverteilungseinrichtungen 430 ist die integrale Einrichtung 32 mit geringer Ausdehnungsfähigkeit in zwei gleiche Teile unterteilt, und die resultierenden unterteilten Einrichtungen 432, 433 mit geringer Ausdehnungsfähigkeit sind in einer Einrichtung 431 mit hoher Wärmeleitfähigkeit vergraben.
Bei diesem Beispiel Nr. 4 erstreckt sich die Einrichtung 431 mit hoher Wärmeleitfähigkeit auch in vertikaler Richtung unmittelbar unter den Halbleitern 10. Die Pfade, welche die durch die Halbleiter 10 erzeugte Wärme zu dem metallischen Substrat diffundieren werden gemäß der Ausweitung vergrößert. Daher ist es möglich, die durch die Halbleiter 10 erzeugte Wärme noch effizienter an das metallische Substrat 20 zu diffundieren und abzustrahlen.
(Beispiel Nr. 5)
5 zeigt ein Leistungsmodul 500 gemäß Beispiel Nr. 5 der Erfindung. Das Leistungsmodul 500 ist mit Wärmeverteilungseinrichtungen 530 versehen, deren Gestalt gegenüber den Wärmeverteilungseinrichtungen 30 bei Beispiel Nr. 1 variiert ist. Dabei bezeichnen in der Zeichnung die gleichen Bezugszeichen dieselben Bestandteile wie bei Beispiel Nr. 1.
Bei den Wärmeverteilungseinrichtungen 530 ist die Vergrabungsposition der Einrichtung 32 mit geringer Ausdehnungsfähigkeit von der inneren Mitte in der Einrichtung 531 mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu der vorrichtungsseitigen Verbindungsoberfläche F1 verschoben. Wenn die Anordnung von Invar-Legierungen, deren linearer Ausdehnungskoeffizient gering ist, somit optimiert wird, ist es möglich, den linearen Ausdehnungskoeffizienten an der vorrichtungsseitigen Verbindungsoberfläche F1 sehr viel näher bei dem linearen Ausdehnungskoeffizienten der Halbleitervorrichtungen 10 auszubilden.
(Beispiel Nr. 6)
6 zeigt ein Leistungsmodul 600 gemäß Beispiel Nr. 6 der Erfindung. Das Leistungsmodul 600 ist mit Wärmeverteilungseinrichtungen 630 versehen, deren Gestalt gegenüber den Wärmeverteilungseinrichtungen 30 bei Beispiel Nr. 1 variiert ist. Dabei bezeichnen bei der Zeichnung gleiche Bezugszeichen dieselben Bestandteile wie bei Beispiel Nr. 1.
Bei den Wärmeverteilungseinrichtungen 630 ist die Vergrabungsposition der Einrichtung 32 mit geringem Ausdehnungskoeffizienten von der inneren Mitte einer Einrichtung 631 mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu der substratseitigen Verbindungsoberfläche F2 verschoben. Da das Volumenverhältnis der Einrichtung 631 mit hoher Wärmeleitfähigkeit, das unmittelbar unter den Halbleitervorrichtungen 10 vorliegt, bei diesem Beispiel ansteigt, sind die Wärmeverteilungseinrichtungen 630 bezüglich ihrer Befähigung zur Wärmediffusion weiter verbessert. Genauer sind die Wärmeverteilungseinrichtungen 630 bezüglich der Wärmeleitfähigkeit verbessert, so dass sich die Temperatur wahrscheinlich verringert.
(Weitere Beispiele)
7 zeigt ein weiteres Beispiel und ist ein horizontaler Querschnitt der Wärmeverteilungseinrichtungen 30 bei dem Leistungsmodul 100 gemäß Beispiel Nr. 1 der Erfindung. Dabei ist es gemäß den an der vorrichtungsseitigen Verbindungsoberfläche F1 gewünschten linearen Ausdehnungskoeffizienten möglich, zu bestimmen, ob die durch die Einrichtung 32 mit geringer Ausdehnungsfähigkeit bei den Wärmeverteilungseinrichtungen 30 in Anspruch genommene Breite W bezüglich der Breite der mit den Wärmeverteilungseinrichtungen 30 zu verbindenden Halbleitervorrichtungen 10 breit oder schmal ist. Es ist beispielsweise möglich, die Breite W der Einrichtung 32 mit geringer Ausdehnungsfähigkeit in einem Bereich von –60% bis +60% bezüglich der Breite der Halbleitervorrichtungen 10 zu steuern. Wenn die Einrichtung 32 mit geringer Ausdehnungsfähigkeit in der vorrichtungsseitigen Verbindungsoberfläche F1 freigelegt wird, wie es bei Beispiel Nr. 5 beschrieben ist, ist es tatsächlich nötig, die Breite W der Einrichtung 32 mit geringer Ausdehnungsfähigkeit unter die Breite der Halbleitervorrichtungen 10 zu verschmälern.
Vorstehend ist wie bei den in 7 dargestellten Wärmeverteilungseinrichtungen 30 eine Einrichtung 32 mit geringer Ausdehnungsfähigkeit beschrieben, deren gegenüberliegende Enden im vertikalen Querschnitt nicht notwendigerweise vollständig durch die Einrichtung 31 mit hoher Wärmeleitfähigkeit umgeben sind. Wie bei den Wärmeverteilungseinrichtungen 830 gemäß dem in 8 dargestellten Beispiel Nr. 7 der Erfindung kann dabei jedoch der gesamte Randbereich der Einrichtung 832 mit geringer Ausdehnungsfähigkeit vollständig durch eine Einrichtung 831 mit hoher Wärmeleitfähigkeit umgeben sein. Eine derartige Form wird vorzugsweise verwendet, weil der Pfad, auf dem die Wärme von den Halbleitervorrichtungen 10 zu dem metallischen Substrat 20 diffundiert, erweitert werden kann. Folglich ist es selbst bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel Nr. 5 nicht notwendigerweise erforderlich, die Breite der Einrichtung 832 mit geringer Ausdehnungsfähigkeit unter die Breite der Halbleitervorrichtungen 10 zu verschmälern.
Aus der vorstehenden Beschreibung der Erfindung ist es für den Fachmann ersichtlich, dass viele Veränderungen und Abwandlungen daran vorgenommen werden können, ohne vom Erfindungsbereich gemäß den beigefügten Patentansprüchen abzuweichen.
Die vorstehende Beschreibung beinhaltet ein Abstrahlungssystem mit einem Hochtemperaturkörper als Wärmequelle, einem Empfänger mit dem darauf angebrachten Hochtemperaturkörper und einem Wärmepuffer. Der Empfänger empfängt Wärme von dem Hochtemperaturkörper. Der Wärmepuffer ist zumindest zwischen dem Hochtemperaturkörper und dem Empfänger zwischengelagert, um eine Wärmeübertragung von dem Hochtemperaturkörper zu dem Empfänger zu puffern, er beinhaltet eine Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit sowie eine an einer dem Hochtemperaturkörper zugewandten Position angeordneten und in der Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit vergrabenen Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit, und umfasst einen ersten Verbindungsbereich bezüglich des Hochtemperaturkörpers und einen zweiten Verbindungsbereich bezüglich dem Empfänger. Der zweite Verbindungsbereich ist ausgedehnter als der erste Verbindungsbereich. Die Wärme von dem Hochtemperaturkörper wird durch den Empfänger abgestrahlt oder mittels des Empfängers abgestrahlt. Somit kann die Wärmeausdehnungsdifferenz zwischen dem Hochtemperaturkörper und dem Empfänger minimiert werden.

Claims

Abstrahlungssystem mit: einem Hochtemperaturkörper, der eine Wärmequelle ist; einem Empfänger mit dem darauf befestigten Hochtemperaturkörper, wobei der Empfänger Wärme von dem Hochtemperaturkörper empfängt; und einem Wärmepuffer, der zumindest zwischen dem Hochtemperaturkörper und dem Empfänger zwischengelagert ist, um eine Wärmeübertragung von dem Hochtemperaturkörper an den Empfänger zu puffern; wodurch die Wärme von dem Hochtemperaturkörper durch den Empfänger oder mittels des Empfängers abgestrahlt wird; wobei der Wärmepuffer eine Einrichtung mit guter Wärmeleitung sowie eine Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit umfasst, die an einer dem Hochtemperaturkörper zugewandten Position angeordnet und in der Einrichtung mit guter Wärmeleitung vergraben ist; und wobei der Wärmepuffer einen ersten Verbindungsbereich bezüglich des Hochtemperaturkörpers sowie einen zweiten Verbindungsbereich bezüglich des Empfängers umfasst, wobei der zweite Verbindungsbereich ausgedehnter als der erste Verbindungsbereich ist.
Abstrahlungssystem nach Anspruch 1, wobei der Wärmepuffer die in der Einrichtung mit hoher Leitfähigkeit vergrabene Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit umfasst und eine äußere Oberfläche durch die Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit umgeben ist.
Abstrahlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit ein Material aufweist, dessen linearer Ausdehnungskoeffizient kleiner als der des Hochtemperaturkörpers ist.
Abstrahlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit eine Invar-Legierung umfasst.
Abstrahlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung mit hoher Leitfähigkeit ein reines Metall oder eine Legierung umfasst, deren Hauptbestandteil Kupfer (Cu) oder Aluminium (Al) ist.
Abstrahlungssystem nach Anspruch 1, wobei der Empfänger einen metallischen Körper mit einer metallischen Materialbasis umfasst.
Abstrahlungsverfahren zum Abstrahlen von Wärme von einem Hochtemperaturkörper als Wärmequelle durch einen Empfänger mit dem darauf angebrachten Hochtemperaturkörper, wobei der Empfänger die Wärme von dem Hochtemperaturkörper empfängt oder die Wärme mittels des Empfängers abstrahlt, das Abstrahlungsverfahren umfasst dabei die Schritte: Herstellen eines zumindest zwischen dem Hochtemperaturkörper und dem Empfänger zwischengelagerten Wärmepuffers, um die Wärmeübertragung von dem Hochtemperaturkörper zu dem Empfänger zu puffern, wobei der Wärmepuffer eine Einrichtung mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit und eine Einrichtung mit einer geringen Ausdehnungsfähigkeit umfasst, die an einer dem Hochtemperaturkörper zugewandten Position angeordnet und in der Einrichtung mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit vergraben ist; und wobei der Wärmepuffer einen ersten Verbindungsbereich bezüglich des Hochtemperaturkörpers sowie einen zweiten Verbindungsbereich bezüglich des Empfängers umfasst, wobei der zweite Verbindungsbereich ausgedehnter als der erste Verbindungsbereich ist.
Wärmepuffer, der zumindest zwischen einem Hochtemperaturkörper als Wärmequelle und einem Empfänger mit dem darauf angebrachten Hochtemperaturkörper zwischengelagert ist, wobei der Empfänger Wärme von dem Hochtemperaturkörper empfängt, um die Wärmeübertragung von dem Hochtemperaturkörper zum Empfänger zu puffern, wobei der Wärmepuffer eine Einrichtung mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit sowie eine Einrichtung mit einer geringen Ausdehnungsfähigkeit umfasst, die an einer dem Hochtemperaturkörper zugewandten Position angeordnet und in der Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit vergraben ist; und wobei der Wärmepuffer einen ersten Verbindungsbereich, der bezüglich dem Hochtemperaturkörper angeordnet ist, sowie einen zweiten Verbindungsbereich umfasst, der bezüglich dem Empfänger angeordnet ist, wobei der zweite Verbindungsbereich ausgedehnter als der erste Verbindungsbereich ist.
Halbleitermodul mit: einer Halbleitervorrichtung, die eine Wärmequelle ist; einem Substrat mit der darauf befestigten Halbleitervorrichtung; und einer Wärmeverteilungseinrichtung, die zwischen der Halbleitervorrichtung und dem Substrat zur Diffusion von Wärme von der Halbleitervorrichtung zum Substrat zwischengelagert ist; wobei die Wärmeverteilungseinrichtung eine Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit sowie eine Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit umfasst, welche an einer der Halbleitervorrichtung zugewandten Position angeordnet und in der Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit vergraben ist; und wobei die Wärmeverteilungseinrichtung einen ersten Verbindungsbereich zwischen der Wärmeverteilungseinrichtung und der Halbleitervorrichtung und bezüglich der Halbleitervorrichtung sowie einen zweiten Verbindungsbereich zwischen der Wärmeverteilungseinrichtung und dem Substrat und bezüglich des Substrates aufweist, wobei der zweite Verbindungsbereich ausgedehnter als der erste Verbindungsbereich ist.
Wärmeverteilungseinrichtung, die zwischen einer Halbleitervorrichtung als Wärmequelle und einem Substrat mit der darauf befestigten Halbleitervorrichtung zwischengelagert ist, um Wärme von der Halbleitervorrichtung zum Substrat zu diffundieren, wobei die Wärmeverteilungseinrichtung eine Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit sowie eine Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit umfasst, die an einer der Halbleitervorrichtung zugewandten Position angeordnet und in der Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit vergraben ist; und wobei die Wärmeverteilungseinrichtung einen ersten Verbindungsbereich zwischen der Wärmeverteilungseinrichtung und der Halbleitervorrichtung und bezüglich der Halbleitervorrichtung sowie einen zweiten Verbindungsbereich zwischen der Wärmeverteilungseinrichtung und dem Substrat und bezüglich des Substrates aufweist, wobei der zweite Verbindungsbereich ausgedehnter als der erste Verbindungsbereich ist.
Halbleitermodul, mit: einer Halbleitervorrichtung, die eine Wärmequelle ist; einer Wärmesenke, die Wärme von dem Halbleiter empfängt; und einem Substrat mit gegenüberliegenden Oberflächen, das mit der Halbleitervorrichtung an einer der gegenüberliegenden Oberflächen verbunden ist, und das mit der Wärmesenke auf der anderen der gegenüberliegenden Oberflächen zur Übertragung der Wärme von der Halbleitervorrichtung auf die Wärmesenke verbunden ist; wobei das Substrat eine Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit sowie eine Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit umfasst, die an einer der Halbleitervorrichtung zugewandten Position angeordnet und in der Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit vergraben ist; und wobei das Substrat einen ersten Verbindungsbereich zwischen dem Substrat und der Halbleitervorrichtung und bezüglich der Halbleitervorrichtung sowie einen zweiten Verbindungsbereich zwischen dem Substrat und der Wärmesenke und bezüglich der Wärmesenke aufweist, wobei der zweite Verbindungsbereich ausgedehnter als der erste Verbindungsbereich ist.
Substrat mit gegenüberliegenden Oberflächen, das mit einer Halbleitervorrichtung als Wärmequelle auf einer der gegenüberliegenden Oberflächen verbunden ist, und das mit einer Wärmesenke auf der anderen der gegenüberliegenden Oberflächen verbunden ist, die Wärme von der Halbleitervorrichtung zum Übertragen der Wärme von der Halbleitervorrichtung zur Wärmesenke empfängt, wobei das Substrat eine Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit und eine Einrichtung mit geringer Ausdehnungsfähigkeit umfasst, die an einer der Halbleitervorrichtung zugewandten Position angeordnet und in der Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit vergraben ist; und wobei das Substrat einen ersten Verbindungsbereich zwischen dem Substrat und der Halbleitervorrichtung und bezüglich der Halbleitervorrichtung sowie einen zweiten Verbindungsbereich zwischen dem Substrat und der Wärmesenke und bezüglich der Wärmesenke aufweist, wobei der zweite Verbindungsbereich ausgedehnter als der erste Verbindungsbereich ist.
Halbleitermodul, mit: einem Substrat, das eine Wärmequelle ist; einer Wärmesenke, die Wärme von dem Substrat empfängt; und einer Wärmeverteilungseinrichtung mit gegenüberliegenden Oberflächen, die mit dem Substrat auf einer der gegenüberliegenden Oberflächen verbunden ist, und die mit der Wärmesenke auf der anderen der gegenüberliegenden Oberflächen zur Übertragung der Wärme von dem Substrat auf die Wärmesenke verbunden ist; wobei die Wärmeverteilungseinrichtung eine Einrichtung mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit und eine Einrichtung mit einer geringen Ausdehnungsfähigkeit umfasst, die an einer dem Substrat zugewandten Position angeordnet und in der Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit vergraben ist; und wobei die Wärmeverteilungseinrichtung einen ersten Verbindungsbereich zwischen der Wärmeverteilungseinrichtung und dem Substrat und bezüglich des Substrates sowie einen zweiten Verbindungsbereich zwischen der Wärmeverteilungseinrichtung und der Wärmesenke und bezüglich der Wärmesenke aufweist, wobei der zweite Verbindungsbereich ausgedehnter als der erste Verbindungsbereich ist.
Wärmeverteilungseinrichtung mit gegenüberliegenden Oberflächen, die mit einem Substrat als Wärmequelle auf einer der gegenüberliegenden Oberflächen verbunden ist, und die mit einer Wärme von dem Substrat empfangenden Wärmesenke auf der anderen der gegenüberliegenden Oberflächen verbunden ist, um die Wärme von dem Substrat auf die Wärmesenke zu übertragen, wobei die Wärmeverteilungseinrichtung eine Einrichtung mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit sowie eine Einrichtung mit einer geringen Ausdehnungsfähigkeit umfasst, die an einer der Halbleitervorrichtung zugewandten Position angeordnet und in der Einrichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit vergraben ist; und wobei die Wärmeverteilungseinrichtung einen ersten Verbindungsbereich zwischen der Wärmeverteilungseinrichtung und dem Substrat und bezüglich dem Substrat sowie einen zweiten Verbindungsbereich zwischen der Wärmeverteilungseinrichtung und der Wärmesenke und bezüglich der Wärmesenke aufweist, wobei der zweite Verbindungsbereich ausgedehnter als der erste Verbindungsbereich ist.