DE3141643A1

DE3141643A1 - Mit einem kuehlkoerper ausgestatteter hochleistungs-halbleiteraufbau und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3141643A1
Application number: DE19813141643
Authority: DE
Inventors: John Harrison; Stanley Barry Stockport Cheshire Kaye; Keith Drummond Stevens
Original assignee: Cableform Ltd
Current assignee: Cableform Ltd
Priority date: 1980-10-30
Filing date: 1981-10-16
Publication date: 1982-08-19
Also published as: US4538171A; DE3141643C2

Description

PFENNING ■ MAAS ■" MEiNiG ■ SPOTT

PATENTANWÄLTE BERLIN ■ MÜNCHEN

" Patentanwälte Kurfürstendamm 170, D 1000 Berlin 15

84211 N

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Pf/schu 111120 (VGN)

J. Plenninp.. Dipl -ing Berlin Dr I Maas. Dipl -Chem München K H Meinig, Dipi -Phys Berlin Dr G Spott, Dipl -Chem - München

Zugelassene Vertreter beim Europaischen Patontaml

BÜRO BERLIN:

1 Kurfürstendamm D 1000 Berlin 15

Telefon:
030/8812008/8812009

Telegramme: Seilwehrpatent

Telex 5215880

Berlin
Date

16. Oktober 1981

CABLEFORM LIMITED

Green Lane, Romiley, Stockport, Cheshire, SK6 3JQ,

England

Mit einem Kühlkörper ausgestatteter Hochleistungs-Halbleiteraufbau und Verfahren zu seiner Herstellung

Mit einem Kühlkörper ausgestatteter Hochleistungs-.Halbleiteraufbau und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf einen mit einem Kühlkörper ausgestatteten.Hochleistungs-Halbleiteraufbau und auf ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Hochleistungs-Halbleiteraufbauten müssen mit einem Kühlkörper verbunden sein, der in der Lage ist, große Energiemengen in Form von Wärme abzuleiten, wenn die Aufbauten wirkungsvoll arbeiten und über eine optimale Lebensdauer verfügen sollen. Zu diesem Zwecke werden die Halbleiter-chips oder-slices, die den Aufbau bilden, üblicherweise in einem Metallgehäuse angeordnet. Bei üblichen Hochleistungs-Halbleiteraufbauten wird das HaIbleiter-slice auf einer inneren Oberfläche des

Gehäuses befestigt, und das Gehäuse wird mit

einem inerten Gas gefüllt,, um eine optimale Stabilität des slices sicherzustellen.

Die Wärmeableitungs-Charakteristiken der bekannten Aufbauten sind unbefriedigend.

• Diese Charakteristiken können verbessert

werden, wenn das slice in einem wärme-• . leitenden, elektrisch isolierenden Material

eingekapsel wird, so daß Wärme schnell 1-0 von beiden Seiten des slice abgeleitet werden kann. Es ist jedoch notwendig,, sicherzustellen,, daB das wärmeleitende Material und das slice nicht in Wechselwirkungen treten» Daher ist eine Passi-'5 vierungsschicht über der bloßliegenden Oberfläche des slices zu bilden vor der Einkapselung mit dem wärmeleitenden Material.

Das am besten geeignete wärmeleitende

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^u Material ist ein Epoxyharz, das mit einem wärmeleitenden Material gefüllt ist. Die Verwendung eines Epoxyharzes bedeutet in der Praxis, daß das slice geschützt werden muß durch eine aus Glas gebildete

Passivierungsschicht. Die Techniken der

Glas-Passivierung sind bekannt, jedoch sind glaspassivierte Hochleistungs-Halb-• leiter außerordentlich kostenaufwendig im Vergleich mit ähnlichen Aufbauten,

die nicht glaspassiviert sind.

Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde f. einen mit einem Kühlkörper ausgestatteten Hochleistungs-Halbleiteraufbau und ein seiner Herstellung dienendes Verfahren

zu schaffen, bei denen die Notwendigkeit des Schutzes des slice vor dem wärmeleitenden Material durch eine Glaspassivierung überflüssig ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Halbleiteraufbau nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches gelöst durch die in seinem kennzeichnenden Teil unter Schutz ge-

stellten Merkmale.

Die anschließenden Unteransprüche dienen der vorteilhaften Weiterbildung des Aufbaues nach dem Hauptanspruch.

Das der Herstellung des Aufbaues dienende Verfahren kennzeichnet sich durch die im Anspruch 13 angegebenen Merkmale.

Die anschließenden Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens nach dem Hauptanspruch dar.

Die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß der Kühlkörper aus zwei im Abstand liegenden thermisch und elektrisch leitfähigen Klappen besteht, zwischen denen das slice oder chip eingesp<-innt ist, daß zwischen den Platten ein sich um das

slice oder chip erstreckendes Dichtungselement angeordnet ist, das eine abgedichtete Kammer bildet, in der das slice oder chip in Stellung gebracht ist, und daß ein elektrisch nichtleitfähiges, wärmeleitendes Material vorgesehen ist.

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das den Zwischenraum zwischen den Platten außerhalb der Kammer ausfüllt»

Das' Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiter-slice oder -chip auf einer ersten thermisch und elektrisch leitfähigen Platte platziert wird, daß auf dieser Platte das Dichtungselement angeordnet wird, daß eine.zweite Platte unter Abstandsbildung zur ersten Platte derart aufgebracht wird, daß das slice oder chip unter Bildung der abgedichteten Kammer zwischen den beiden Platten eingespannt wird, und daß der Zwischenraum

■5" zwischen den beiden Platten außerhalb der Kammer mit einem elektrisch nichtleitfähigen, wärmeleitenden Material gefüllt wird«

Die Platten können aus Aluminium und das ^ζυ wärmeleitende Material aus einem Harz bestehen, das 80% Aluminiumoxyd enthält. Die abgedichtete Kammer kann gebildet werden durch einen aus Gummi bestehenden

O-Ring, der zwischen den beiden Platten 25

eingeschichtet ist. Vorzugsweise erstreckt sich ein Kanal durch wenigstens eine der Platten, der in die Kammer einmündet, und der evakuiert ist und die Kammer versiegelt»

Ein inertes Gas, beispielsweise Stickstoff, kann in die Kammer nach der Evakuierung und vor dem Verschluß des Kanales injiziert werden=

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Eins beispielsweise Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiteraufbaues ist in der beiliegenden Zeichnung aufgezeigt.

Der Hochleistungs-Halbleiteraufbau besteht aus einem Thyristor-slice 1 und zwei Diodenslices 2 und 3. Jeder Halbleiter-slice 1, 2 und 3 ist zwischen Aluminium-Kühlplatten 4, 5; 5, 6; und 6,7 eingeschlossen.

Die Halbleiter-slices 1, 2, 3 sind in Serie miteinander verbunden durch die Aluminium-Kühlplatten 4, 5, 6, 7, und daher können erforderlichenfalls Verbindungen zu den slice direkt hergestellt werden durch die Aluminium-Kühlplatten 4, 5, 6, 7 mit Ausnahme des Gatterkontaktes 8 des Thyristorslice 1. Um eine Verbindung zu dem Gatter 8 herzustellen, ist eine Bohrung 9 durch die Aluminium-Kühlplatte 4 geführt. Ein Gatter-

Leiter 10 durchgreift die Bohrung 9, erstreckt sich längs der Unterseite der Platte 4 und durch eine weitere Bohrung 11 in der Platte 4, die nach außen mündet.

Die Bohrung 9 ist versiegelt, um eine Ver-

unreinigung der Unterseite des slice I zu verhindern.

Jedes slice 1, 2, 3 ist für die Anlage an den Aluminium-Kühlplatten 4, 5, 6, 7 mit

metallisierten Kontaktoberflächen ausgestattet, die entsprechend bekannter Techniken passiviert sind. Dünne nicht gezeigte Silber- und Molybdän-Dichtungen sind zwischen den slice und den benachbarten Platten . vorgesehen. Die Oberflächen der Aluminium-

Kühlplatte 4, 5, δ_ρ 7„ die an den slice 1, 2, 3 anliegen sind ebenso präpariert«, Die Sitzflächen werden flach und parallel gepreßt, und niedrige Nuten 12 sind in die Oberflächen der Kühlplatten um die Sitzflächen herum eingepreßte um einen Raum zu bilden für die Passivierung der von den Rändern der slices vorspringenden Ränder 13. Um eine Abdichtung jedes ^O slice 1, 2, 3 zu schaffen, sind aus Gummi bestehende O-Ringe 14 verwendet, die die slices umgeben, jedoch nicht berühren* Ein Kontakt zwischen den slices und den O-Ringen 14 würde die Passiviarungsschichten der slice nachteilig beeinflussen. Der gesamte Aufbau wird dann fest durch einen nicht dargestellten Bügel zusammengespannt, der auf eine Stange 15 wirkt, um die Platten 4 und 7 zusammenzudrücken«

Das Zusammenspannen des Aufbaus stellt sicher, daß die Oberflächen der slice 1, 2, 3 und der Kühlplatten 4, 5, 6, 7 in gutem Kontakt miteinander stehen, und

daß die· aus Gummi bestehenden O-Ringe 25

ausreichend komprimiert sind, um eine wirksame Abdichtung zu bilden.

Das große slice I orientiert sich selbst, da sein Gatter-Leiter 10 durch die Bohrung geführt werden muß. Die kleinen slices 2,3 sind dagegen nicht selbstorientierend, und daher sind PTFE-Ringe 16 lose in die Nuten 12 eingelegt zur Begrenzung der slices.

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Jeder Kontakt zwischen den slices und den Ringen 16 ist so leicht, daß die slices mechanisch nicht beschädigt werden können, und das PTFE-Material hat keine nachteilige Einwirkung auf die Passivierung der slices. Jede Platte 5,6,7 besitzt einen sie durchgreifenden Kanal 17, der mit den Aussparungen 12 in Verbindung steht. Das Ende des Kanales 17 in der Platte 7 trägt einen Stöpsel für ein Evakuierungsrohr '0 18, das mit den ringförmigen Zwischenräumen zwischen den slices und den O-Ringen in Verbindung steht.

Der dicht zusammengespannte Aufbau wird dann in das Epoxyharz 19 eingekapselt, das hochwärmeleitend, jedoch nicht elektrisch leitfähig ist. Das Epoxyharz kann mit 80% Aluminiumoxyd gefüllt sein. Das Harz wird auf den Aufbau unter Vakuum aufgebracht, so daß ein voll-

ständiger Verschluß und eine isolierende Sperre erhalten wird zwischen jedem benachbarten Paar von Kühlplatten. Die hohe thermische Leitfähigkeit des Epoxyharzes stellt sicher, daß die Kühlplatten 4, 5, 6, 7 als eine einzige wärmeableitende Masse wirken, während die einzelnen Kühlplatten elektrisch voneinander isoliert sind. Hierdurch wird sogar dann, wenn nur die Aluminium-Kühlplatte 4 mit dem Chassis der den Aufbau aufnehmenden Vorrichtung verspannt .ist, die Wärme auch von den Kühlplatten 5, 6, 7 abgeleitet. Aufgrund der Epoxyharzbeschichtung 19 ist außerdem keine besondere Isolierung erforderlich zwischen or dem Aufbau und dem Chassis der diesen aufnehmenden Vorrichtung.

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Durch die Anordnung der aus Gummi bestehenden O-Ringe 14 ist jedes slice I, 2, 3 gegenüber dem Epoxyharz 19 abgedichtet, so daß die Passivierung jedes slices I, 2, 3 nicht durch das Epoxyharz 19 beeinflußt werden kann. Daher ist eine aufwendige Glaspassivierung nicht erforderlich.

Entweder vor oder nach der Aufbringung des '0 Epoxyharzes 19 werden die ringförmigen .Zwischenräume zwischen den O-Ringen 14 und den slices über den Kanal 17 und das Rohr 18 evakuiert. Nach erfolgter Evakuierung wird der Zwischenraum mit einem inerten Gas, beispielsweise Stickstoff, gefüllt und das Rohr 18 verschlossen. Auf diese Weise sind die slices isoliert in einer inerten Gasatmosphäre eingeschlossen innerhalb eines robusten Aufbaues, so daß ideale

Bedingungen für eine hohe Betriebssicherheit gewährleistet sind.

Es können eine beliebige Zahl von slices oder chips zu einem Hochleistungs-Halbleiteraufbau zusammengefaßt werden. Außerdem können erforderlichenfalls die slices oder chips eines Aufbaues elektrisch isoliert werden von jedem anderen Aufbau durch Anordnung einer elektrisch isolierenden Harzschicht zwischen den benachbarten Aufbauten. Anstelle eines Thyristors und zwei Dioden können auch andere Typen von Halbleiteraufbauten in unterschiedlichen Kombinationen angewendet werden.

All·

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Mit einem Kühlkörper ausgestatteter Hoch- ■ leistungs-Halblelteraufbau, bestehend aus wenigstens einem Halbleiter-chip oder-slice und einem Kühlkörper, dadurch gekennzeichnet , daß der Kühlkörper wenigstens zwei im Abstand angeordnete, thermisch und elektrisch leitfähige, ein Paar bildende Platten (4,5; 5,6; 6,7) besitzt, zwischen denen der slice oder chip (1,2,3) eingespannt ist, daß zwischen jedem Plattenpaar (4,5; 5,6; 6,7) ein sich um den slice oder chip erstreckendes, der Bildung einer abgedichteten, dieses (1,2,3) aufnehmenden Kammer dienendes Dichtungselement (14) eingeschichtet ist, und daß ein elektrisch nicht leitfähiges, wärmeleitendes Material (19) vorgesehen ist, das den zwischen den Platten außerhalb der Kammer bestehenden Zwischenraum ausfüllt.

2.' Halbleiteraufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (4,5,6,7) aus Aluminium bestehen.

3. Halbleiteraufbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material (19) ein Harz ist.

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' 4. Halbleiteraufbau nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß das Harz zu 80% mit Aluminiumoxid gefüllt ist.

5. Halbleiteraufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungselement (14) ein O-Ring ist.

6. Halbleiteraufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Halbleiter-elices

oder chips (1,2,3) vorgesehen sind, und daß jeder slice oder chip zwischen einem Plattenpaar (4,5; 5,6; 6,7) eingespannt ist.

7. Halbleiteraufbau nach einem der Ansprüche

1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß

eine Mehrzahl von Halbleiter-slices

oder chips vorgesehen ist, von denen mehr als ein slice oder chip zwischen ■ einem Paar von Platten angeordnet ist.

8. Halbleiteraufbau nach einem der Ansprüche

1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß

die oder wenigstens ein Halbleiter-chip

oder slice innerhalb eines Ringes (16)

in Stellung gebracht ist, der in einer

Nut (12) einer benachbarten Platte (5 bzw. 6)

aufgenommen ist.

9. Halbleiteraufbau nach Anspruch 8, dadurch nc gekennzeichnet, daß der Ring (16) aus einem

unter der Bezeichnung PTFE bekannten

Material besteht.

lO.Halbleitera.ufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet _e daß das wärmeleitende Material (9) als Kapsel für die Platten (4,5,6,7) ausgebildet ist.

11.Halbleiteraufbau nach einem der Ansprüche '0 l bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein sich durch wenigstens ein Platte (5,6,7) erstreckender mit der bzw. den Kammern in Verbindung stehender Kanal (17) vorgesehen ist, der zum Zwecke . der Verhinderung des Eintrittes oder Austrittes von Gas versiegelt ist.

12.Halbleiteraufbau nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer

bzw. Kammern mit einem inerten Gas gefüllt ist bzw. sind.

13.Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 bis 12,, dadurch

gekennzeichnet, daß das Halbleiter-slice

oder chip auf die erste thermisch und elektrisch leitfähige Platte aufgelegt wird, daß auf diese Platte das das slice oder chip umgebende Dichtungselement aufgebracht wird, daß die zweite Platte über die erste Platte gelegt und das slice oder chip zwischen den beiden Platten eingespannt und in der durch das „j. Dichtungselement gebildeten Kammer in Stellung gehalten v/ird, und daß der außerhalb

der Kammer befindliche Zwischenraum

zwischen den beiden Platten mit einem elektrisch nicht leitfähigen, wärmeleitenden Material ausgefüllt wird.

14.Verfahren nach Anspruch 13, dadurch

gekennzeichnet, daß das das wärmeleitende Material bildende Harz unter Vakuum aufgebracht wird.

15.Verfahren nach Anspruch 13 oder 14,

dadurch gekennzeichnet, daß ein wenigstens eine Platte durchgreifender, in eine Kammer mündender Kanal hergestellt wird, daß die Kammer durch den Kanal evakuiert wird, und daß die Kammer mit einem inerten Gas gefüllt und der Kanal versiegelt wird.