-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Halbleitermodul, bezieht sich insbesondere auf ein Halbleiter-Leistungsmodul mit verbesserter Kühlung und auf eine Leistungsanordnung, die das Halbleiter-Leistungsmodul umfasst.
-
Aufgrund von Anforderungen einer verlängerten Lebensdauer und Zuverlässigkeit werden derzeit Wechselrichter (z. B. Kraftfahrzeug-Traktionswechselrichter oder Wechselrichter zur Wind-Energie-Umwandlung) für Halbleiter-Leistungsmodule mit einer oder einer Vielzahl von Metallbasisplatten eingesetzt, auf denen sich ein oder eine Vielzahl von keramischen Substraten und ein Anordnungsrahmen befinden, der einen in Kunststoff eingekapselten Anschlussrahmen umfasst und ein Silikon-Schutzgel enthält.
-
Alternativ dazu werden Halbleiter-Leistungsmodule verwendet, wo aktive Komponenten mit einem duroplastischen Formharz eingekapselt sind. Hier sind Ausbildungsvarianten bekannt, wo Substrate direkt zur Außenfläche des Halbleiter-Leistungsmoduls freiliegen, um eine effektive Ableitung von Wärmeverlusten zu gestatten.
-
Derzeit ist das Kombinieren der Vorteile beider Varianten nicht üblich, nämlich die Verwendung der Metallbasisplatte einer auf einem Rahmen basierenden Anordnung in Verbindung mit keramischen Substraten und der Einkapselung mit duroplastischen Formharzen.
-
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um wenigstens einen Aspekt der Nachteile im Stand der Technik zu überwinden oder abzuschwächen.
-
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Halbleitermodul vorgesehen, umfassend: ein Substrat mit einer ersten Seite und einer der ersten Seite entgegengesetzten zweiten Seite; eine Halbleitervorrichtung, die auf der ersten Seite des Substrats montiert ist; eine Metallbasisplatte, die auf der zweiten Seite des Substrats montiert ist; und einen geformten Körper, der das Substrat, die Halbleitervorrichtung und einen Teil der Metallbasisplatte umhüllt.
-
In der obigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird durch das Kombinieren einer einzelnen oder mehrerer Metallbasisplatten mit einem oder einer Vielzahl von Substraten, die mit den Metallbasisplatten zusammengefügt sind, die Wärme, die durch eine oder eine Vielzahl von auf den Substraten montierten Halbleitervorrichtungen generiert wird, effektiv und rasch über die Metallbasisplatten abgeleitet, die direkt zur Außenfläche des Halbleiter-Leistungsmoduls freiliegen.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Substrat eine Isolierschicht und eine Metallschicht auf einer oder beiden Seiten der Isolierschicht. Auf diese Weise bietet das Substrat Vorteile einer überlegenen Wärmeleitfähigkeit und zuverlässiger elektrischer Isoliereigenschaften.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Halbleitervorrichtung mit der Metallschicht auf der Isolierschicht durch Löten oder Sintern zusammengefügt. Auf diese Weise wird die von der Halbleitervorrichtung generierte Wärme leichter und rascher zum Substrat transportiert.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Metallbasisplatte direkt mit der Metallschicht auf der Isoierschicht durch Löten oder Sintern zusammengefügt. Auf diese Weise wird die von der Halbleitervorrichtung generierte Wärme leichter und rascher zum Substrat transportiert.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Metallbasisplatte eine Dicke von etwa 0,5 mm bis etwa 10 mm auf. Auf diese Weise wird die von der Halbleitervorrichtung generierte Wärme leichter und rascher über die dünne Metallbasisplatte ableitet.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Halbleitermodul ferner elektrische Verbindungen mit der Halbleitervorrichtung, die als Drahtbondverbindungen gebildet sind. Auf diese Weise sind die Halbleitervorrichtungen und die Anschlussrahmen durch diese Drahtbondverbindungen einfach elektrisch miteinander verbunden.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bestehen die Drahtbondverbindungen im Wesentlichen aus Kupfer. Dies ist ein großer Vorteil, da der Widerstand von Kupfer niedrig ist, was zu niedrigen Verlusten führt, wenn starke Ströme verwendet werden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Halbleitermodul ferner eine Schicht aus Kupfer zwischen wenigstens einer der Drahtbondverbindungen und der Halbleitervorrichtung. Eine derartige Kupferschicht schützt die Fläche der Halbleitervorrichtung gegen eine Rissbildung während des Verbindungsprozesses der Drahtbondverbindung, und breitet den Strom aus, der über die Drahtbondverbindungen in die Halbleitervorrichtungen eintritt oder aus diesen austritt, wodurch der Gesamtwiderstand und Verluste reduziert werden. Zusätzlich wird die innerhalb der Halbleitervorrichtungen generierte Wärme quer über eine Fläche durch das Vorliegen der Kupferschicht ausgebreitet, wodurch die Stromkapazität und die Kurzschlussrobustheit der Halbleitervorrichtungen erhöht werden.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform hat die Kupferschicht eine Dicke zwischen etwa 20 µm und etwa 200 µm, vorzugsweise zwischen etwa 35 µm und etwa 70 µm. Auf diese Weise wird durch die Steuerung der Dicke der Kupferschicht die innerhalb der Halbleitervorrichtungen generierte Wärme leicht über die Kupferschicht transportiert.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der geformte Körper aus einer elektrisch isolierenden Verbindung mit einem absoluten Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) ähnlich jenem der Metallbasisplatte. Auf diese Weise werden mechanische Spannungen zwischen dem Formmaterial und der Metallbasisplatte reduziert, die durch die Wärmeausdehnung verursacht werden, und so werden auch das Entstehen und die Ausbreitung von Rissen reduziert. Auf diese Weise wird die Zuverlässigkeit der Zusammenfügung verstärkt.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der CTE des geformten Körpers so gewählt, dass er innerhalb von Extremwerten von CTEs anderer Bestandteile liegt, die im Halbleitermodul verwendet werden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Halbleitervorrichtung mit dem Substrat durch Drucksintern mit einem Metallpulver zusammengefügt. Auf diese Weise ist die Halbleitervorrichtung zuverlässig mit dem Substrat zusammengefügt.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Flächenstruktur auf der Seite der Metallbasisplatte entgegengesetzt zum Substrat so gebildet, dass der Flächenbereich der Seite der Metallbasisplatte entgegengesetzt zum Substrat vergrößert wird. Vorzugsweise umfasst die Flächenstruktur erhöhte Flächenteile und vertiefte Flächenteile. Auf diese Weise ist der Flächenbereich der Seite der Metallbasisplatte entgegengesetzt zum Substrat stärker vergrößert als eine flache Fläche, wodurch die Flächenstruktur die Wärmetransportcharakteristiken der Metallbasisplatte stark erhöht. Ferner verbessert die Flächenstruktur die mechanische Steifigkeit der Metallbasisplatte.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Metallbasisplatte eine einzelne Region einer Flächenstruktur auf. Auf diese Weise wird der Flächebereich der Seite der Metallbasisplatte entgegengesetzt zum Substrat maximiert, wodurch die Wärmetransportcharakteristiken der Metallbasisplatte optimiert werden.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Metallbasisplatte getrennte Regionen einer Flächenstruktur auf, die Positionen von Wärme generierenden Halbleitervorrichtungen auf dem Substrat entsprechen.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Flächenstruktur eine Vielzahl von pyramidenförmigen erhöhten Flächenteilen und eine Vielzahl von umgekehrten pyramidenförmigen vertieften Flächenteilen zwischen den pyramidenförmigen erhöhten Flächenteilen. Auf diese Weise vergrößert die Flächenstruktur den Flächenbereich der Fläche der Metallbasisplatte um einen Faktor von √5 und erhöht die Wärmetransportcharakteristiken der Metallbasisplatte stark.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Flächenstruktur einen wiederholten Satz identischer Einheiten, wobei jede dieser Einheiten einen Einbuchtungsbereich, in dem die Fläche unter der umgebenden Fläche der Metallbasisplatte liegt, und einen Ausbuchtungsbereich umfasst, in dem die Fläche über der umgebenden Fläche der Metallbasisplatte angrenzend an den Einbuchtungsbereich liegt. Eine derartige Struktur ist gut geeignet, um durch Prägen, Stempeln, Walzen oder eine ähnliche Technik gebildet zu werden, und die Herstellung einer derartigen Struktur ist billig und leicht verfügbar.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Halbleitermodul ferner eine galvanische Plattierung auf der Fläche der Metallbasisplatte entgegengesetzt zum Substrat. Bei Vorliegen einiger Kühlmittel kann die Möglichkeit einer Korrosion vermieden werden, indem die Fläche der Metallbasisplatte durch eine galvanische Plattierung geschützt wird.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die galvanische Plattierung eine auf Nickel basierende Plattierung. Auf diese Weise kann die Fläche der Metallbasisplatte effektiv gegen die Möglichkeit einer Korrosion geschützt werden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Halbleitermodul ferner eine oder mehrere Buchsen zum Montieren des Halbleitermoduls, und die an einem oder mehreren Fixierungspunkten auf der Metallbasisplatte angebracht sind. Auf diese Weise wird das Halbleitermodul leicht an einer Leiterplatte oder einem beliebigen anderen geeigneten Paneel ohne die Verwendung von Federn, Klemmen oder speziellen Anschlussteilen angebracht, um das Halbleitermodul festzuhalten.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bestehen die Buchsen aus Metall. Auf diese Weise wird das Halbleitermodul starr und zuverlässig an der Leiterplatte durch Buchsen fixiert, die nicht nur eine hohe mechanische Festigkeit, sondern auch eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit aufwiesen, was die Kühlung der Leiterplatte in den Bereichen verstärkt, rund um die sie befestigt sind.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bestehen die Buchsen aus einem oder mehreren der folgenden Materialien: Kupfer, Messing oder Aluminium.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Fixierungspunkte als Vorsprünge aus der Kontur des geformten Körpers gebildet und sind in einer asymmetrischen Weise verteilt. Auf diese Weise sind angrenzende Metallbasisplatten von Halbleitermodulen, die Seite-an-Seite ausgelegt sind, paarweise verriegelt. Dies ermöglicht die Anordnung einer Vielzahl von Halbleitermodulen mit verbesserter Packungsdichte.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Fixierungspunkte auf der Metallbasisplatte in einer diagonalen Form angeordnet. Auf diese Weise kann die Vielzahl von Halbleitermodulen leicht mit verbesserter Packungsdichte ausgelegt werden.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Leistungsanordnung vorgesehen, die das oben angegebene Halbleitermodul umfasst, und ferner eine Kühlvorrichtung umfasst, wobei die Fläche der Metallbasisplatte entgegengesetzt zum Substrat von der Kühlvorrichtung gekühlt wird. Auf diese Weise kann die Wärme, die von den Halbleitervorrichtungen zur Metallbasisplatte transportiert wird, von der Kühlvorrichtung effektiv und rasch abgeleitet werden. Zusätzlich besitzt die Leistungsanordnung alle Vorteile des oben angegebenen Halbleitermoduls.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Leistungsanordnung vorgesehen, die das oben angegebene Halbleitermodul umfasst, und ferner eine Leiterplatte umfasst, wobei das Halbleitermodul unter Verwendung von Buchsen montiert ist, die an Fixierungspunkten auf der Metallbasisplatte angebracht sind und ihrerseits an der Leiterplatte angebracht sind. Auf diese Weise wird das Halbleitermodul an der Leiterplatte ohne die Verwendung von Federn, Klemmen oder speziellen Anschlussteilen leicht und zweckmäßig fixiert, um das Halbleitermodul festzuhalten. Zusätzlich besitzt die Leistungsanordnung alle Vorteile des oben angegebenen Halbleitermoduls.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Leistungsanordnung ferner eine Kühlvorrichtung, wobei die Buchsen ein Innenloch umfassen, durch das eine Schraube eingesetzt wird, um die Kühlvorrichtung zu erfassen und fest gegen die gekühlte Fläche der Metallbasisplatte zu halten. Auf diese Weise kann die Wärme, die von den Halbleitervorrichtungen und der Leiterplatte zur Metallbasisplatte transportiert wird, von der Kühlvorrichtung effektiv und rasch abgeleitet werden. Zusätzlich hat eine wie oben beschriebene Buchse den Vorteil, dass sie die Montage des Halbleitermoduls und der Kühlvorrichtung als getrennte Handlungen gestattet.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die Buchsen eine Abstandshalterschulter, um das Halbleitermodul in einer eingestellten Distanz von der Leiterplatte weg zu halten.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Leiterplatte über eine Mutter fixiert, welche auf ein Außengewinde auf dem Endabschnitt der Buchse geschraubt ist, die durch die Leiterplatte hindurchgeht. Auf diese Weise kann das Halbleitermodul an der Leiterplatte leicht montiert oder von dieser entfernt werden.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die Buchsen ein Innenloch, durch das eine Schraube eingesetzt ist, um die Kühlvorrichtung zu erfassen und diese fest gegen die gekühlte Fläche der Metallbasisplatte zu halten. Auf diese Weise kann die Kühlvorrichtung an der Metallbasisplatte als getrennte Vorrichtung leicht montiert oder von dieser entfernt werden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Buchsen an Fixierungspunkten auf der Metallbasisplatte angebracht, die als Vorsprünge aus der Kontur des geformten Körpers gebildet sind und in einer asymmetrischen Weise verteilt sind. Auf diese Weise sind angrenzende Metallbasisplatten von Halbleitermodulen, die Seite-an-Seite ausgelegt sind, paarweise verriegelt. Dies ermöglicht die Anordnung einer Vielzahl von Halbleitermodulen auf der Kühlvorrichtung mit verbesserter Packungsdichte.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Fixierungspunkte auf der Metallbasisplatte in einer diagonalen Form so angeordnet, dass angrenzende Metallbasisplatten von Halbleitermodulen, die Seite-an-Seite ausgelegt sind, paarweise verriegelt sind. Auf diese Weise kann die Vielzahl von Halbleitermodulen mit verbesserter Packungsdichte leicht ausgelegt werden.
-
Die obigen und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch die detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen davon mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in denen:
-
1 eine veranschaulichende Draufsicht eines Halbleitermoduls gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
-
2 eine veranschaulichende Unteransicht des Halbleitermoduls von 1 ist; 2a eine veranschaulichende lokale vergrößerte Ansicht der Unterseite des Halbleitermoduls von 2 ist;
-
3 eine veranschaulichende Unteransicht des Halbleitermoduls gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
-
3a eine veranschaulichende lokale vergrößerte Ansicht der Unterseite des Halbleitermoduls von 3 ist;
-
4 eine veranschaulichende Draufsicht des Halbleitermoduls von 1 ist;
-
5 eine veranschaulichende Schnittansicht des Halbleitermoduls gemäß einer in 4 gezeigten Linie A-A ist;
-
6 eine veranschaulichende lokale vergrößerte Schnittansicht des Halbleitermoduls von 5 ist;
-
7a eine veranschaulichende perspektivische Ansicht einer Buchse gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
-
7b eine veranschaulichende Schnittansicht der in 7a gezeigten Buchse ist;
-
8 eine veranschaulichende lokale Schnittansicht einer Leistungsanordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
-
9 eine veranschaulichende flache Draufsicht einer Vielzahl von Halbleitermodulen, die in einer Reihe angeordnet sind, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
-
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hier im Nachstehenden mit Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen detailliert beschrieben, wobei sich ähnliche Bezugszahlen auf ähnliche Elemente beziehen. Die vorliegende Offenbarung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen verkörpert werden und sollte nicht so ausgelegt werden, dass sie auf die hier angegebene Ausführungsform beschränkt ist; stattdessen werden diese Ausführungsformen vorgesehen, damit die vorliegenden Offenbarung sorgfältig und vollständig ist, und das Konzept der Offenbarung Fachleuten umfassend vermittelt.
-
In der folgenden detaillierten Beschreibung werden für Zwecke der Erläuterung zahlreiche spezifische Details ausgeführt, um ein umfassendes Verständnis der geoffenbarten Ausführungsformen vorzusehen. Es ist jedoch klar, dass eine oder mehrere Ausführungsformen ohne diese spezifischen Details praktiziert werden können. In anderen Fällen werden wohlbekannte Strukturen und Vorrichtungen schematisch gezeigt, um die Zeichnung zu vereinfachen.
-
Gemäß einem allgemeinen Konzept der vorliegenden Erfindung wird ein Halbleitermodul vorgesehen, umfassend: ein Substrat mit einer ersten Seite und einer der ersten Seite entgegengesetzten zweiten Seite; eine Halbleitervorrichtung, die auf der ersten Seite des Substrats montiert ist; eine Metallbasisplatte, die auf der zweiten Seite des Substrats montiert ist; und einen geformten Körper, der das Substrat, die Halbleitervorrichtung und einen Teil der Metallbasisplatte umhüllt.
-
Wie in 1 bis 2 und 5 bis 6 gezeigt, offenbart eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Halbleitermodul 100, das eine einzelne oder mehrere Metallbasisplatten 110 mit einer typischen Dicke von 0,5 bis 10 mm, die vorzugsweise aus Kupfer oder einem anderen äußerst wärmeleitfähigen Material bestehen, mit einem oder einer Vielzahl von Substraten 120 kombiniert, die mit der Metallbasisplatte 110 durch einen Materialeingriff zusammengefügt sind. Das Substrat 120 umfasst eine Schicht einer Isoliermaterialschicht 123, die mit Metall auf einer oder beiden seiner Seiten bedeckt ist, beispielsweise unter Verwendung eines „DBC”-(direkt gebondeten Kupfer-)Substrats. Dies ergibt Vorteile einer überlegenen Wärmeleitfähigkeit und von zuverlässigen elektrischen Isoliereigenschaften eines dielektrischen Materials, das organischer Natur ist oder aus Keramik besteht, wie Al2O3, AlN, SiN oder Si3O4. Eine derartige Struktur wird mit der Metallbasisplatte 110 durch Löten oder Sintern oder ein anderes Verfahren zusammengefügt, das zu einem Materialeingriff führt.
-
Halbleiter und/oder andere Komponenten 130 können auf dem Substrat 120 montiert sein und durch bekannte Verbindungsverfahren wie Drahtbondverbindungen 140 verbunden werden.
-
Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ferner durch das Verwenden einer elektrisch isolierenden Formverbindung mit einer charakteristischen hohen Adhäsion an anderen Komponenten im Halbleitermodul 110 und mit einem absoluten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) ähnlich jenem der Metallbasisplatte 110 gekennzeichnet, und die einen großen Bereich von Betriebstemperaturen toleriert. Der CTE kann so gewählt werden, dass er innerhalb von Extremwerten von CTEs der Bestandteile liegt, nämlich der Metallbasisplatte 110, des Substrats 120, beliebiger mit dem Substrat 120 verbundener Komponenten und beliebiger Zwischenverbindungsvorrichtungen (wie Drahtbondverbindungen 140 und/oder Anschlussrahmen 160), die im fertiggestellten Halbleitermodul 100 verwendet werden.
-
Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist außerdem dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen Halbleitern 130 und Substraten 120 durch Drucksintern mit einem Metallpulver mit einer signifikant hohen Schmelztemperatur hergestellt wird. Diese Verbindung wird bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Sinterpulvers (z. B. Silber im Nanomaßstab) gebildet.
-
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen zwischen Metallbasisplatten und Substraten 120/Zwischenverbindungsvorrichtungen 140 mit darauf montierten Halbleitern und anderen Komponenten 130 durch drahtfreies Löten oder Drucksintern hergestellt werden. Die Verwendung dieses Verfahrens ermöglicht, dass die vorher fertiggestellten Verbindungen zwischen den Halbleitern und anderen Komponenten 130 unverändert bleiben und nicht schmelzen.
-
Die Drahtbondverbindungen 140, welche die Komponenten 130 verbinden, die auf der ersten Seite (Oberseite) des Substrats 120 montiert sind, können im Wesentlichen aus Kupfer bestehen. Dies ist ein großer Vorteil, da der Widerstand von Kupfer niedrig ist, was zu niedrigen Verlusten führt, wenn starke Ströme verwendet werden.
-
Die Anordnung und Leistung des Halbleitermoduls 100 werden erheblich verbessert, wenn eine Schicht aus Kupfer mit einer Dicke zwischen 20 µm und 200 µm, und vorzugsweise im Bereich von 35 µm bis 70 µm, zwischen einer oder mehreren der Halbleiterkomponenten 130 und der Zwischenverbindungsvorrichtung 140, wie Kupferdrahtbondverbindungen, liegt. Eine derartige Kupferschicht schützt die Fläche des Halbleiters 130 während des Prozesses des Drahtbondens, da mechanische Spannungen, die in der Halbleiterkomponente induziert werden, während die Drahtbondverbindung 140 angebracht wird, dazu führen können, dass die Halbleiterkomponenten 130 reißen. Dieses Problem ist noch größer, wenn die Drahtbondverbindungen 140 aus Kupfer bestehen, da Kupfer größere Kräfte in der Stufe des Zusammenfügens erfordert. Die oben beschriebene Kupferschicht breitet auch den Strom, der in die Halbleiterkomponenten 130 eintritt oder aus dieser austritt, über die daran angebrachte Zwischenverbindungsvorrichtung 140 aus, wodurch der Gesamtwiderstand und Verluste reduziert werden. Zusätzlich wird innerhalb der Halbleiterkomponenten 130 generierte Wärme durch das Vorliegen der Kupferschicht quer über eine Fläche verteilt, wodurch die Stromkapazität der Halbleiterkomponenten 130 erhöht wird.
-
In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 1 bis 2 und 5 bis 6 gezeigt, umfasst das Halbleitermodul 100 ein Substrat 120, eine Halbleitervorrichtung (Halbleiterkomponente) 130, eine Metallbasisplatte 110 und einen geformten Körper 150. Das Substrat 120 weist eine erste Seite (Oberseite in 6) und eine der ersten Seite entgegengesetzte zweite Seite (Unterseite in 6) auf. Eine Vielzahl von Halbleitervorrichtungen 130 ist auf der ersten Seite des Substrats 120 montiert, beispielsweise in einer oberflächenmontierten Technologie (SMT). Die Metallbasisplatte 110 ist auf der zweiten Seite des Substrats 120 montiert. Der geformte Körper 150 umhüllt das Substrat 120, die Halbleitervorrichtungen 130 und einen Teil der Metallbasisplatte 110.
-
Mit Bezugnahme auf 1 bis 2 und 5 bis 6 umfasst in einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Substrat 120 eine Isolierschicht 123 und Metallschichten 121 und 122 auf beiden Seiten der Isolierschicht 123. Die Halbleitervorrichtungen 130 können mit der Metallschicht 122 auf der Isolierschicht 123 durch Löten oder Sintern zusammengefügt sein. Die Metallbasisplatte 110 kann direkt mit der Metallschicht 121 auf der Isolierschicht 123 durch Löten oder Sintern zusammengefügt sein. Die Metallbasisplatte 110 kann eine Dicke von etwa 0,5 mm bis etwa 10 mm aufweisen.
-
Mit erneuter Bezugnahme auf 5 bis 6 kann in einer beispielhaften Ausführungsform das Halbleitermodul 100 ferner elektrische Verbindungen (Zwischenverbindungsvorrichtungen) 140 mit den Halbleitervorrichtungen 130 aufweisen, die als Drahtbondverbindungen gebildet sind. Vorzugsweise können die Drahtbondverbindungen 140 im Wesentlichen aus Kupfer bestehen.
-
In einer beispielhaften Ausführungsform, wie in 5 bis 6 gezeigt, kann das Halbleitermodul 100 ferner eine Schicht aus Kupfer (nicht gezeigt) zwischen wenigstens einer der Drahtbondverbindungen 140 und der Halbleitervorrichtung 130 umfassen. Die Kupferschicht kann eine Dicke zwischen etwa 20 µm und etwa 200 µm, vorzugsweise zwischen etwa 35 µm und etwa 70 µm, aufweisen.
-
In einer beispielhaften Ausführungsform, wie in 5 bis 6 gezeigt, kann der geformte Körper 150 aus einer elektrisch isolierenden Verbindung mit einem absoluten Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) ähnlich jenem der Metallbasisplatte 110 bestehen. Vorzugsweise kann der CTE des geformten Körpers 150 so gewählt sein, dass er innerhalb von Extremwerten von CTEs anderer Bestandteile liegt, die im Halbleitermodul 100 verwendet werden.
-
In einer beispielhaften Ausführungsform können die Halbleitervorrichtungen 130 mit dem Substrat 120 durch Drucksintern mit einem Metallpulver zusammengefügt werden.
-
Wie in 2, 2a, 3 und 3a gezeigt, ist die vorliegende Erfindung außerdem durch eine Metallbasisplatte 110 gekennzeichnet, die eine spezifische geometrische Struktur aufweist, um ihre Außenfläche zu vergrößern. Diese Flächenstrukturierung kann verschiedene Formen annehmen.
-
Wie in 2 und 2a gezeigt, ist in einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Flächenstruktur 112 auf der Seite (Unterseite) der Metallbasisplatte 110 entgegengesetzt zum Substrat 120 so gebildet, dass der Flächenbereich der Unterseite der Metallbasisplatte 110 vergrößert wird. Beispielsweise umfasst die Flächenstruktur 112 erhöhte Flächenteile 1121 und vertiefte Flächenteile 1122.
-
In der in 2 und 2a gezeigten Ausführungsform umfasst die Flächenstruktur 112 einen wiederholten Satz identischer Einheiten, wobei jede dieser Einheiten einen Einbuchtungsbereich 1122, in dem die Fläche unter der umgebenden Fläche der Metallbasisplatte 110 liegt, und einen Ausbuchtungsbereich 1121 umfasst, in dem die Fläche über der umgebenden Fläche der Metallbasisplatte 110 angrenzend an den Einbuchtungsbereich 1122 liegt.
-
In der in 2 und 2a gezeigten Ausführungsform sind die Volumina der Einbuchtung 1122 und Ausbuchtung 1121 ungefähr gleich. Eine derartige Struktureinheit ist gut geeignet, um beispielsweise durch einen Prägestempel gebildet zu werden, der unter einem Winkel in die Ausgangsfläche gedrückt wird und dadurch Material aus der geschaffenen Einbuchtung aufwärts in jede geschaffene Ausbuchtung drückt. Eine derartige dreidimensionale Struktur ist gut geeignet für Herstellungsprozesse, die Prägen, Stempeln, Walzen oder ähnliche Techniken involvieren, und da solche Herstellungsprozesse billig und leicht verfügbar sind, bilden sie ein vorteilhaftes Mittel zur Erzeugung der gezeigten Flächenstruktur 112, einer Struktur, die die Wärmetransportcharakteristiken der Metallbasisplatte 110 stark erhöht.
-
3 und 3a zeigen eine Flächenstruktur, die von der in 2 und 2a gezeigten Flächenstruktur verschieden ist.
-
Wie in 3 und 3a gezeigt, weist die Metallbasisplatte 110' eine einzelne Region einer Flächenstruktur 112' auf. Die Flächenstruktur 112' umfasst eine Vielzahl von pyramidenförmigen erhöhten Flächenteilen 1121' und eine Vielzahl von umgekehrten pyramidenförmigen vertieften Flächenteilen 1122' zwischen den pyramidenförmigen erhöhten Flächenteilen 1121'.
-
In der in 3 und 3a gezeigten Ausführungsform weist die Metallbasisplatte 110' eine einzelne Region auf, die mit einer Flächenstruktur 112' erhöhter und vertiefter Flächenteile 1121' und 1122' versehen ist. Der Flächenbereich im Bereich der Metallbasisplattenfläche, die die Flächenstruktur 112' aufweist, ist vergrößert, und daher ist es möglich, eine effizientere Kühlung für Wärme erzeugende Elemente vorzusehen, wie Halbleitervorrichtungen 130, die auf dem Substrat 120 montiert sind, das seinerseits auf der Rückseite der Metallbasisplatte 110 montiert ist.
-
Wie in 3a gezeigt, umfasst die Flächenstruktur 112' eine Vielzahl von Pyramiden mit umgekehrten Pyramidenformen dazwischen. Die Pyramiden bilden erhöhte Flächenteile 1121' und umgekehrte Pyramidenformen bilden gepresste Flächenteile 1122' der Flächenstruktur 112'. Die Flächenstruktur 112' vergrößert den Flächenbereich der Fläche der Metallbasisplatte 110' um einen Faktor von √5 .
-
In einer alternativen Ausführungsform kann die Metallbasisplatte getrennte Regionen einer Flächenstruktur aufweisen, die Positionen von Wärme generierenden Halbleitervorrichtungen 130 auf dem Substrat 120 entsprechen.
-
Zusätzlich zu einer lokalen Vergrößerung des Flächebereichs, und somit der Verstärkung des Wärmetransports zu einer Kühlvorrichtung 300 (siehe 8) in Kontakt mit der Fläche, hat die Flächenstrukturierung die folgenden Vorteile.
-
Ein erster zusätzlicher Vorteil ist, dass sie eine Turbulenz fördert, und daher ein Mischen jedes darüber geführten Kühlmittels. Dies erhöht den Wärmetransport von der Metallbasisplatte 110 weg.
-
Ein zweiter zusätzlicher Vorteil ist, dass das Vorliegen der Strukturierung die mechanischen Eigenschaften der Metallbasisplatte 110 ändert. Spezifisch kann es eine Metallbasisplatte mit einer bestimmten Dicke steifer machen, und so ist es möglich, eine ähnliche Basisplatte zu verwenden, als es ansonsten der Fall wäre, und weiterhin eine Steifigkeit innerhalb erforderlicher Grenzen zu erzielen.
-
Die Metallbasisplatte 110 kann aus einem beliebigen geeigneten Metall bestehen, es bestehen jedoch deutliche Vorteile darin, dass sie im Wesentlichen aus Kupfer besteht. In Anwesenheit einiger Kühlmittel kann die Möglichkeit einer Korrosion vermieden werden, indem die Fläche der Metallbasisplatte durch galvanisches Plattieren geschützt wird.
-
In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Halbleitermodul 100 ferner eine galvanische Plattierung (nicht gezeigt) auf der Fläche (Bodenfläche) der Metallbasisplatte 110 entgegengesetzt zum Substrat 120 umfassen. Beispielsweise kann die galvanische Plattierung eine auf Nickel basierende Plattierung sein.
-
In einer beispielhaften Ausführungsform, wie in 7a, 7b, 8 bis 9 gezeigt, kann das Halbleitermodul 100 eine oder mehrere Buchsen 170 zum Montieren des Halbleitermoduls 100 umfassen, und die an einem oder mehreren Fixierungspunkten 114 (siehe 1, 2 und 2a) auf der Metallbasisplatte 110 angebracht sind. Auf diese Weise, wie in 7a, 7b, 8 bis 9 gezeigt, kann das erfindungsgemäße Halbleitermodul 100 unter Verwendung von Buchsen 170 montiert werden, die an Fixierungspunkten 114 auf der Metallbasisplatte 110 angebracht sind und ihrerseits an der Leiterplatte 200 angebracht sind. Solche Buchsen 170 können aus einem beliebigen geeigneten festen Material bestehen, in einer bevorzugten Ausführungsform kann jedoch ein Metall wie Kupfer oder Messing oder Aluminium verwendet werden. Durch dieses Mittel kann das Halbleitermodul 100 an der Leiterplatte 200 ohne die Verwendung von Federn, Klemmen oder speziellen Anschlussteilen starr fixiert werden, um das Halbleitermodul 100 festzuhalten. Diese Buchsen 170 können ausgebildet sein, starr an der Metallbasisplatte 110 fixiert zu sein und sich von dieser in der Richtung entgegengesetzt zur gekühlten Fläche der Metallbasisplatte weg zu erstrecken. Sie können auch eine Abstandshalterschulter 173 umfassen, um das erfindungsgemäße Halbleitermodul in einer eingestellten Distanz von der Leiterplatte 200 weg zu halten, an der es montiert ist. Die Fixierung kann über eine Mutter 220 erfolgen, die auf ein Außengewinde 1711 auf dem Endabschnitt der Buchse 170 geschraubt ist. Zusätzlich können solche Buchsen 170 ein Innenloch 174 umfassen, durch das eine Schraube 210 oder ein anderer Anschlussteil eingesetzt werden kann, um eine Kühlvorrichtung 300 zu erfassen und diese fest gegen die gekühlte Fläche der Metallbasisplatte 110 zu halten.
-
In einer beispielhaften Ausführungsform, wie in 1, 2, 2a, 4, 8 bis 9 gezeigt, können die Fixierungspunkte 114 als Vorsprünge aus der Kontur des geformten Körpers 150 gebildet sein und sind in einer asymmetrischen Weise verteilt. Vorzugsweise können die Fixierungspunkte 114 auf der Metallbasisplatte 110 in einer diagonalen Form angeordnet sein, wie in 4 und 9 gezeigt, so dass angrenzende Metallbasisplatten 110 von Halbleitermodulen 100, die Seite-an-Seite ausgelegt sind, paarweise verriegelt sind. Dies ermöglicht eine Anordnung einer Vielzahl von Halbleitermodulen 100 auf der Kühlvorrichtung 300 (siehe 8) mit einer verbesserten Packungsdichte.
-
Gemäß einem weiteren allgemeinen Konzept der vorliegenden Erfindung wird eine Leistungsanordnung vorgesehen, die wenigstens ein Halbleitermodul, wie in einer beliebigen der obigen Ausführungsformen beschrieben, umfasst und ferner eine Leiterplatte und/oder eine Kühlvorrichtung umfasst.
-
In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 8 gezeigt, umfasst eine Leistungsanordnung wenigstens ein Halbleitermodul 100, wie in 1 bis 7 und 9 gezeigt, eine Leiterplatte 200 und/oder eine Kühlvorrichtung 300.
-
Mit Bezugnahme auf 8 ist das Halbleitermodul 100 unter Verwendung von Buchsen 170 montiert, die an Fixierungspunkten 114 auf der Metallbasisplatte 110 angebracht sind und ihrerseits an der Leiterplatte 200 angebracht sind. Die Bodenfläche der Metallbasisplatte 110 entgegengesetzt zum Substrat 120 wird von der Kühlvorrichtung 300 gekühlt.
-
Wie in 7a, 7b und 8 gezeigt, umfassen die Buchsen 170 jeweils einen ersten Endteil 171, einen zweiten Endteil 172 entgegengesetzt zum ersten Endteil 171 und eine Abstandshalterschulter 173 zwischen dem ersten und zweiten Endteil 171 und 172. Die Abstandshalterschulter 173 hat einen größeren Durchmesser als die Durchmesser des ersten und zweiten Endteils 171 und 172 und eine Länge L, um so das Halbleitermodul 100 in einer eingestellten Distanz von der Leiterplatte 200 weg zu halten.
-
In einer beispielhaften Ausführungsform, wie in 8 gezeigt, ist ein Außengewinde 1711 auf dem Endabschnitt des ersten Endteils 171 der Buchse 170 gebildet. Der Endabschnitt mit dem Außengewinde 1711 der Buchse 170 geht durch die Leiterplatte 200 hindurch, und die Leiterplatte 200 ist über eine Mutter 220 fixiert, die auf das Außengewinde 1711 auf dem Endabschnitt des ersten Endteils 171 der Buchse 170 geschraubt ist, wie in 8 gezeigt. Der zweite Endteil 172 der Buchse 170 ist in ein Installationsloch 1141 (siehe 2a) gepasst, das in den Fixierungspunkten 114 auf der Metallbasisplatte 110 gebildet ist.
-
In einer beispielhaften Ausführungsform, wie in 7a, 7b und 8 gezeigt, umfasst die Buchse 170 ein Innenloch 174, durch das eine Schraube 210 eingesetzt ist, um die Kühlvorrichtung 300 zu erfassen und diese fest gegen die gekühlte Fläche (Bodenfläche) der Metallbasisplatte 110 zu halten.
-
In den in 7a, 7b und 8 gezeigten Ausführungsformen hat eine solche Buchse 170, wie oben beschrieben, den Vorteil, dass sie die Montage des erfindungsgemäßen Halbleitermoduls 100 und der Kühlungseinheit (Kühlvorrichtung) 300 als getrennten Handlungen ermöglicht. Zusätzlich erhöht das Vorliegen der im Wesentlichen leitenden Buchse 170 die Kühlung der Leiterplatte 200 in dem Bereich, rund um den sie angebracht ist.
-
Für Fachleute ist klar, dass die obigen Ausführungsformen nur der Veranschaulichung und nicht der Einschränkung dienen. Beispielsweise können von Fachleuten viele Modifikationen an den obigen Ausführungsformen vorgenommen werden, und verschiedene Merkmale, die in verschiedenen Ausführungsformen beschrieben werden, können frei miteinander kombiniert werden, ohne hinsichtlich der Auslegung oder des Prinzips in Konflikt zu geraten.
-
Obwohl einige beispielhafte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, ist es für Fachleute klar, dass verschiedene Änderungen oder Modifikationen in diesen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von den Prinzipien und dem Grundgedanken der Offenbarung abzuweichen, deren Umfang in den Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert wird.
-
Wie hier verwendet, ist ein Element, das im Singular angeführt wird und vor dem das Wort „ein” oder „eine” steht, so zu verstehen, dass es den Plural der genannten Elemente oder Schritte nicht ausschließt, außer ein solcher Ausschluss wird explizit angegeben. Ferner sind Bezugnahmen auf „eine Ausführungsform” der vorliegenden Erfindung nicht so auszulegen, dass sie die Existenz zusätzlicher Ausführungsformen ausschließen, welche die angeführten Merkmale auch umfassen. Wenn nichts anderes ausdrücklich angegeben ist, können außerdem Ausführungsformen, die ein Element oder eine Vielzahl von Elementen mit einer bestimmten Eigenschaft „umfassen” oder „aufweisen”, zusätzliche derartige Elemente umfassen, die diese Eigenschaft nicht haben.
