DE19609929B4

DE19609929B4 - Leistungshalbleitermodul

Info

Publication number: DE19609929B4
Application number: DE1996109929
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Spann
Original assignee: IXYS Semiconductor GmbH
Current assignee: IXYS Semiconductor GmbH
Priority date: 1996-03-14
Filing date: 1996-03-14
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2016-03-15
Also published as: DE19609929A1

Abstract

Leistungshalbleitermodul
mit einer Bodenplatte (1), die eine plane Oberseite (3) und eine konvex gekrümmte Unterseite (2) hat,
mit einem oder mehreren auf der Oberseite (3) oder Bodenplatte (1) angeordneten, thermisch gut leitenden und elektrisch isolierenden Substraten (4, 5), die mit der Bodenplatte (1) jeweils durch eine Weichlotschicht (6, 7) verbunden sind, und mit einem oder mehreren Leistungshalbleiterchips (8, 9), die jeweils durch eine Weichlotschicht (10, 11) mit einem der Substrate (4, 5) verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (1) an ihrer konvexen Unterseite (2) einen oder mehrere Schlitze (13) aufweist, deren Tiefe nur einem Teil der Bodenplattendicke an der jeweiligen Stelle entspricht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Leistungshalbleitermodul mit einer Bodenplatte, darauf aufgelöteten elektrisch isolierenden Substraten und darauf wiederum aufgelöteten Leistungshalbleiterbauelementen entsprechend dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2.
Mit Leistungshalbleitermodulen wird üblicherweise eine Stromrichterschaltung oder ein Teil einer solchen Schaltung realisiert. Sie sind für die Montage auf einem Kühlkörper konzipiert.

Ein solches Halbleitermodul ist aus der DE 43 38 107 C1 bekannt. Bei dem daraus bekannten Modul ist die Oberseite der Bodenplatte plan und die Unterseite in bezug auf die plane Oberfläche konvex geformt. Stimmen Längs- und Querausdehnungen der Bodenplatte annähernd überein, besitzt die Unterseite die Form einer Kugelkalotte. Durch den Lötvorgang, das Aufbringen eines Gehäuses und das Aufschrauben der Bodenplatte auf den Kühlkörper wird die Konvexizität der Unterseite der Bodenplatte verringert und ein großflächiger Kontakt zum Kühlkörper hergestellt. Die Lötung erfolgt beim bekannten Modul in zwei Schritten. Im ersten Schritt werden keramische Substrate, die eine lötfähige Oberfläche aufweisen, auf die Bodenplatte gelötet und in einem zweiten Schritt werden die Substrate mit Halbleiterbauelementen verbunden. Ein solches Modul wird üblicherweise mit Anschlußleitern, einem Gehäuse und einer Gehäusefüllung versehen.

Das so fertiggestellte Modul wird auf einen planen Kühlkörper aufgeschraubt. Dazu weist die Bodenplatte in ihrem Randbereich Bohrungen für Befestigungsschrauben auf. Durch die Montage auf den Kühlkörper soll sich die Bodenplatte verformen, bis die Unterseite plan am Kühlkörper anliegt. Die Oberseite verformt sich konvex.

Die Beeinflussung der Krümmung der Bodenplatte hängt vor allem von den Lotwerkstoffen, den Lotdicken, und der Anzahl und Lage von aufzulötenden Substraten ab. Da einer oder mehrerer dieser Parameter bei jeder Lötung variieren, ist die letztliche, nach der Montage noch gegebene Krümmung der Unterseite der Bodenplatte bei jedem Modul unterschiedlich ausgeprägt. Versuche haben gezeigt, daß trotz ursprünglich gleichem Krümmungsradius der Unterseite mehrerer Bodenplatten nicht immer ein gleich guter Kontakt zum Kühlkörper erreicht werden kann. Bei manchen Modulen fehlt deshalb an Teilflächen der Bodenunterseite der notwendige Kontakt zum Kühlkörper. Vor allem fehlt oftmals der Kontakt an Seitenbereichen, an denen eine Verschraubung fehlt und die Bodenplatte nicht ausreichend an den Kühlkörper gepreßt wird. Eine solche Situation ist in 1 zu sehen, die eine Bodenplatte 1 mit Bohrungen 14 darstellt. Die Bohrungen dienen der späteren Verschraubung auf den Kühlkörper. Die schraffierten Flächen 15 sind typische Bereiche, bei denen ein unbefriedigender Kontakt zum Kühlkörper gegeben ist. Werden die Schrauben fester angezogen, um einen allseitigen Kontakt zum Kühlkörper herzustellen, kann es in der Mitte der Bodenplatte zu einer Aufwölbung kommen.

Die DE 39 40 933 A1 befaßt sich ebenfalls mit dem Problem des thermischen Kontakts zwischen einer Modulbodenplatte und einem Kühlkörper. Dort wird eine Kupfer-Bodenplatte mit Hilfe einer konvex gekrümmten beheizbaren Preßvorrichtung in eine gewünschte Form gebracht.

Die WO 92/06495 beschreibt ein Halbleiterbauelement, das ein Substrat mit einer planaren Oberseite und einer planaren Unterseite aufweist. An der Oberseite oder Unterseite ist das Substrat mit Nuten versehen, die sich bis zu einer Tiefe von 80% der Dicke des Substrats erstrecken.

Aus der US 4,887,149 ist ein Halbleiterbauelement bekannt, dessen Chip auf einer Metallplatte sitzt, die mit zwei Kunststoffkörpern verspannt wird. Die Kunststoffkörper weisen an ihrer Ober- und Unterseite jeweils einen Schlitz auf, um die Kunststoffkörper mittels Schrauben besser verspannen zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungshalbleitermodul anzugeben, bei dem ein guter thermischer Kontakt zwischen Leistungshalbleiterbauelementen, Substraten und einer Bodenplatte zu einem Kühlkörper gewährleistet ist. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, Verspannungen der Bodenplatte, welche im Langzeiteinsatz zu Verformungen der Bodenplatte führen können, zu minimieren.

Diese Aufgabe wird bei einem Leistungshalbleitermodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und 2 durch dessen kennzeichnendes Merkmal gelöst.

Der oder die vorgeschlagenen Schlitze an der Unterseite der Bodenplatte lassen sich so dimensionieren und anordnen, daß praktisch keine Beeinträchtigung der Wärmespreizung in der Bodenplatte auftritt und eine großflächige Wärmeableitung an den Kühlkörper gegeben ist.

Eine ausführlichere Beschreibung der Erfindung und ihrer Ausgestaltungsmöglichkeiten erfolgt nachstehend anhand der Zeichnungsfiguren.
Es zeigen:
1 Bodenplatte eines Moduls nach dem Stand der Technik, mit typischen Flächenbereichen, die einen unzureichenden thermischen Kontakt zu einem Kühlkörper haben;
2 Leistungshalbleitermodul mit wenigstens einem Schlitz an der Unterseite seiner Bodenplatte,
3 eine mögliche Ausführung der Bodenplatte.
2 zeigt eine Modulanordnung, wobei für die Erfindung unwesentliche Details, wie Modulgehäuse, elektrische Anschlüsse und Leiterbahnen nicht dargestellt sind. 2 zeigt eine Bodenplatte 1, die im allgemeinen aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff, z.B. aus Kupfer oder aus einem lötfähigen Verbundwerkstoff aus Siliziumkarbid und Aluminium (SiC/Al) besteht. Die Bodenplatte 1 hat eine plane Oberseite 3 und bezüglich dieser planen Oberseite eine konvex gekrümmte Unterseite 2. Auf der Oberseite 3 sind thermisch gut leitende, elektrisch isolierende Substrate 4, 5 angeordnet. Diese bestehen üblicherweise aus einer Platte 17 aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Aluminiumnitrid (AlN), die auf der Ober- und Unterseite jeweils mit einer lötfähigen Kupferschicht 16, 18 versehen ist, wobei die obere Schicht 16 zu Leiterbahnen strukturiert ist. Die Kupferschichten 16, 18 sind nach einem Direktverbindungsverfahren aufgebracht. Die Substrate 4, 5 werden mit der Oberseite 3 der Bo denplatte 1 durch Weichlotschichten 6, 7 verbunden. Auf der Oberseite der Substrate 4, 5 sind über weitere Weichlotschichten 10, 11 Leistungshalbleiterbauelemente in Form von Halbleiterchips 8, 9 befestigt. Die Halbleiterchips 8, 9 können über nicht dargestellte Leiterbahnen miteinander und mit ebenfalls nicht dargestellten Gehäuseanschlüssen verbunden sein. Auch üblicherweise vorhandene Bondverbindungen mit Drähten zwischen den Chipoberseiten und Leiterbahnen sind nicht gezeigt.
Die konvex gekrümmte Unterseite 2, deren Krümmung in der Zeichnung übertrieben dargestellt ist, weist einen oder mehrere Schlitze 13 auf. Diese sind derart dimensioniert und angeordnet, daß die mechanische Stabilität der Bodenplatte 1 gewährleistet ist, die Wärmespreizung in der Bodenplatte nicht beeinträchtigt wird und die Wärmeabfuhr von den Halbleiterbauelementen 8, 9 über die Substrate und über die Bodenplatte 1 zu einem Kühlkörper 12 durch einen großflächigen Kontakt zum Kühlkörper verbessert wird. Die Anordnung der Schlitze 13 wird deshalb so gewählt, daß diese nicht unterhalb der Substrate 4, 5 verlaufen. Eine mögliche Gestaltung einer Bodenplatte 1 mit einem einzigen Schlitz 13 ist in 3 dargestellt.
Die Schlitze 13 in der Bodenplatte 1 bewirken, daß auf die plane Oberfläche 3 wirkende Kräfte, z.B. durch ein Gehäuse bzw. eine Verschraubung auf den Kühlkörper, zu einer verbesserten Anpassung der Bodenplatte an den Kühlkörper führen. Geringe, erwünschte Verformungen der Bodenplatte treten somit nur im Bereich des oder der Schlitze und nicht unterhalb von Substraten auf. Eine Verformung von Lotschichten, die sich zwischen den Substraten und der Bodenplatte befinden, wird dadurch minimiert. Die Plattenunterseite erhält einen allseitig guten Kontakt zum Kühlkörper. Der verbesserte Gesamtkontakt führt zu einer verbesserten Wärmeabfuhr von den Leistungshalbleiterchips zum Kühlkörper.
Die Lötung des Moduls erfolgt in zwei Schritten. Zuerst werden die Substrate und die Halbleiterchips mit einem höherschmelzenden Lot verlötet und anschließend drahtgebondet. Im zweiten Schritt werden die Substrate auf die Bodenplatte gelötet, wobei ein Lot verwendet wird, dessen Schmelztemperatur unter der des Lotes der ersten Lötung liegt.

Claims

Leistungshalbleitermodul mit einer Bodenplatte (1), die eine plane Oberseite (3) und eine konvex gekrümmte Unterseite (2) hat, mit einem oder mehreren auf der Oberseite (3) oder Bodenplatte (1) angeordneten, thermisch gut leitenden und elektrisch isolierenden Substraten (4, 5), die mit der Bodenplatte (1) jeweils durch eine Weichlotschicht (6, 7) verbunden sind, und mit einem oder mehreren Leistungshalbleiterchips (8, 9), die jeweils durch eine Weichlotschicht (10, 11) mit einem der Substrate (4, 5) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (1) an ihrer konvexen Unterseite (2) einen oder mehrere Schlitze (13) aufweist, deren Tiefe nur einem Teil der Bodenplattendicke an der jeweiligen Stelle entspricht.
Leistungshalbleitermodul mit einer Bodenplatte (1), die eine plane Oberseite (3) und eine konvex gekrümmte Unterseite (2) hat, mit einem oder mehreren auf der Oberseite (3) der Bodenplatte (1) angeordneten, thermisch gut leitenden und elektrisch isolierenden Substraten (4, 5), die mit der Bodenplatte (1) jeweils durch eine Weichlotschicht (6, 7) verbunden sind, und mit einem oder mehreren Leistungshalbleiterchips (8, 9), die jeweils durch eine Weichlotschicht (10, 11) mit einem der Substrate (4, 5) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (1) an ihrer konvexen Unterseite (2) einen oder mehrere Schlitze (13) aufweist, die derartig ausgestaltet sind, dass die Bodenplatte (1) mechanisch so stabil ist, dass sie im Falle einer Verschraubung auf einem planen Kühlkörper (12) einen großflächigen Kontakt zum Kühlkörper (12) mit der Möglichkeit der Wärmeabfuhr über den großflächigen Kontakt zum Kühlkörper (12) ausbildet, und dass sie im Falle einer Verschraubung auf dem planen Kühlkörper (12) auf ihrer Oberseite (3) im Bereich des mindestens einen Schlitzes (13) in erwünschter Weise geringfügig verformbar ist.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Schlitze (13) nicht unter Substraten (4, 5) verlaufen.
Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (1) aus Kupfer oder aus einem Verbundwerkstoff aus Siliziumkarbid und Aluminium (SiC/Al) besteht.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (4, 5) jeweils aus einer Keramikplatte (17) bestehen, die auf der Ober- und Unterseite jeweils mit einer Kupferschicht (16, 18) versehen sind, die mittels eines Direktverbindungsverfahrens aufgebracht sind.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikplatte (17) jeweils aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Aluminiumnitrid (AlN) besteht.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Kupferschicht (16) zu Leiterbahnen strukturiert ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul nach einem zweistufigen Lötverfahren hergestellt ist und die Weichlotschichten (10, 11) zur Verbindung der Halbleiterchips (8, 9) mit den Substraten (4, 5) aus einem höher schmelzenden Lot bestehen, als die Weichlotschichten (6, 7) zur Verbindung der Substrate (4, 5) mit der Bodenplatte (1).