DE3323246A1

DE3323246A1 - Leistungshalbleitermodul

Info

Publication number: DE3323246A1
Application number: DE19833323246
Authority: DE
Inventors: Arno Dipl.-Phys. Dr. 6831 Plankstadt Neidig
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Germany; BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1983-06-28
Filing date: 1983-06-28
Publication date: 1985-01-10

Description

Leistungshalbleitermodul
Die Erfindung bezieht sich auf ein Leistungshalbleitermodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei um eine Anordnung von Leistungshalbleiterbauelementen in einem Kunststoffgehäuse.
Bei solchen Anordnungen besteht das Problem, die entstehende Verlustwärme aus dem Kunststoffgehäuse abzuführen. Dieses Problem ist bei auf dem Markt befindlichen Moduln so gelöst, daß die Verlustwärme über die Bodenfläche des Moduls abgeführt wird, wobei eine Metallbodenplatte verwendet wird, auf die eine Isolierkeramik und darauf die aktiven Halbleiterelemente montiert sind.
Die Montage der Isolierkeramik auf die Metallbodenplatte geschieht dabei entweder mit einer Lötverbindung oder durch Druckkontakt. Nachteile der Lötverbindung sind darin zu sehen, daß die Gefahr besteht, daß durch lunkerhafte Lötung Stellen mit schlechtem Wärmeübergang entstehen können sowie daß durch häufige Temneratur- und Lastwechselspiele nach jahrelangem Betrieb eine Zerrüttung der Lotschicht eintreten kann. Insbesondere bei großflächigen Lötungen (über 20 mm Diagonale) wirkt sich die Lotermüdung stark aus, die durch große lineare thermische Ausdehnungsunterschiede zwischen Keramik und Metallbodenplatte aus Kupfer oder Aluminium verursacht ist. Nachteile der Verbindung durch Druckkontakt bestehen darin, daß sich ein schwerer Aufbau zur Aufnahme der Spannkräfte für den Druckkontakt mit hohem Material-und Montageaufwand ergibt. Außerdem wird um den Wärmewiderstand niedrig zu halten, das gesundheitlich bedenkliche Berylliumoxid als Isolierkeramik verwendet.
Nach einer anderen bekannten Lösung wird die Isolierkeramik sogleich als Bodenplatte verwendet. Allerdings treten dabei Stabilitätsprobleme auf. Zur Verringerung der Bruchempfindlichkeit kann die Keramik dicker ausreführt werden, wodurch jedoch der Wärmewiderstand ansteigt. Auch durch Verwendung von Isolierkeramiken, die nach einem Direct-Bonding-Verfahren hergestellt sind, wobei das Keramiksubstrat durch beidseitig aufgebrachte Kupferfolien verstärkt wird, kann die Bruchempfindlichkeit verringert werden. Allerdings reicht diese Maßnahme nicht in allen Anwendungsfällen aus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungshalbleitermodul mit einer mechanisch festen Ausführung der Grundplatte anzugeben, wobei ein guter Wärmeübergang gegeben ist und die Nachteile der bekannten Lösung vermieden sind.
Diese Aufgabe wird durch ein Leistungshalbleitermodul nach dem Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen sind in Unteransprüchen angegeben.
Die vorgeschlagene Verwendung einer elastischen klebenden Wärmeleitpaste zur Verbindung eines Keramiksubstrats mit einer Metallbodenplatte hat den Vorteil, daß durch die elastischen Eigenschaften der Wärmeleitpaste auch größere Dehnungsunterschiede zwischen Keramiksubstrat und Metallbodenplatte ausgeglichen werden können, ohne daß es zu einer Ablösung von der Bodenplatte kommt. Die klebende Wirkung der Wärmeleitpaste verhindert, daß die Paste während Lastwechselzyklen aus dem Spalt zwischen Modulgehäuse und Bodenplatte allmählich entweicht.
Weitere Vorteile ergeben sich aus dem nachstehenden Ausführungsbeispiel, das anhand der Zeichnung erläutert wird.
Es zeigen: Fig. 1 Draufsicht auf ein unvergossenes Modul, Fig. 2 Schnitt durch eine Ebene A-B des Moduls.
In Fig. 1 ist eine Sicht auf ein noch unvergossenes Modul mit den Thyristoren 1 für eine vollgesteuerte Drehstrombrückenschaltung dargestellt. Die Thyristoren 1 sowie Wechselsnannungsanschlüsse 2, Gleichssannungsanschlüsse 3 und Gateanschlüsse 4 sind auf ein Substrat 5 mit Weichlot aufgelötet. Das Substrat 5 besteht aus einer Keramikplatte mit beidseitig im Direct-Bonding-Verfahren aufgebrachter KuPferfolie, wobei die Oberseite entsprechend der zu realisierenden Schaltung strukturiert ist. Das Substrat 5 mit den darauf angeordneten Thyristoren 1 ist in ein rahmenförmiges Kunststoffgehäuse 6 eingesetzt, das Verstrebungen 7 aufweist.
Das Kunststoffgehäuse 6 hat außen Anformungen 8 und ist auf einer Metallbodenplatte 9 (in Fig. 1 nicht sichtbar, da unter dem Gehäuse 6 und dem Substrat 5 liegend) befestigt, z.B. mit Nieten 10 im Bereich der Anformungen 8. Die Anformungen 8 weisen außerdem Befestigungslöcher 11 auf.
In Fig. 2 ist ein Schnitt durch die in Fig. 1 eingezeichnete Ebene A-B dargestellt. Daraus ist zu ersehen, daß die Verstrebungen 7 im Kunststoffgeh#use 6 Abstützungen 12 aufweisen, die auf das Substrat 5 drücken und einer Verformung des Substrats 5 entgegen wirken.
Weiterin ist dargestellt wie das Substrat 5 in das Kunststoffgehäuse 6 eingesetzt ist. Das Substrat 5 liegt außer auf den erwähnten Abstützungen 12 auf Ausnehmungen 13 am Rand des Gehäuses 6 auf. Das Substrat 5 ragt maximal 0,1 #mm über den unteren Rand des Gehäuses 6 hinaus.
Unterhalb des Substrats 5 und des Gehäuses 6 ist die Metallplatte 9 mit der erfindungswesentlichen Verbindung mittels einer elastischen klebenden Wärmeleitpaste 14 (z.B. Rhone-Poulene CAF 21527) dargestellt. Bei der Metallplatte 9 handelt es sich zweckmäßig um eine Aluminiumplatte mit etwa 5 mm Dicke.
Aus dem Schnittbild in Fig. 2 ist außerdem der sandwichartige Aufbau der Thyristoren 1 zu ersehen. Dabei ist jeweils über und unter einer Siliziumscheibe 15 eine Molybdänronde 16 angeordnet. Die untere Molybdänronde 16 ist auf das Substrat 5 aufgelötet und auf die obere Molybdänronde 16 ist eine Kupferronde 17 aufgelötet.
Die Herstellung der Klebeverbindung der Metallbodenplatte 9 mit dem Substrat 5 und dem Kunststoffgehäuse 6 erfolgt zweckmäßig wie nachstehend beschrieben.
Die Metallplatte 9 wird auf einer Seite gleichmäßig mit der Wärmeleitpaste 14 bestrichen. Danach wird das fertiggelötete Substrat 5 zusammen mit dem Kunststoffgehäuse 6 auf die mit der WärmeleitDaste 14 bestrichene Seite der Metallbodenplatte unter leichtem Hin- und Herbewegen aufgedrückt um den Einschluß von Luftblasen zwischen Substrat 5 und Metallbodenplatte 9 zu vermeiden.
Das noch unvergossene Modul bleibt an Luft stehen, bis die Klebewirkung der Paste 14 eingesetzt hat. Anschließend wird das Modul mit einer Kunststoffmasse ausgegos- sen. Es ist jedoch auch möglich, nach dem Aufdrücken des Substrats 5 auf die Metallbodenplatte 9 das Gehäuse 6 auf der Metallbodenolatte 9 mit Hilfe von Nieten 10 zu fixieren, wie in Fig. 1 dargestellt und danach sofort zu vergießen.
Eine andere Möglichkeit der Modulherstellung besteht darin, das bestückte und gelötete Substrat 5 zuerst mit dem Gehäuse 6 zu vergießen und erst später die Metallbodenplatte 9 aufzukleben. Dadurch kann noch kurzfristig je nach Kundenwunsch vor der Auslieferung entschieden werden, ob das Modul mit oder ohne Metallbodenplatte 9 ausgeliefert wird.

Claims

A n s p r ü c h e 1. Leistungshalbleitermodul bestehend aus einer mit Bauelementen bestückten, beidseitig metallisierten KeramikDlatte (Substrat), die in ein Kunststoffgehäuse eingesetzt und vergossen ist und mit einer Metallbodenplatte verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallbodenplatte (9) mit Hilfe einer elastischen klebenden Wärmeleitpaste (14) an das Substrat (5) angeklebt ist.
2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (5) nach einem Direct-Bonding-Verfahren hergestellt ist.
3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallbodenplatte (9) aus Aluminium besteht.
4. Leistungshalbleitermodul nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffgehäuse (6) Verstrebungen (7) mit Abstützungen (12) aufweist, die einer Verformung des Substrats (5) entgegenwirken.
5. Leistungshalbleitermodul nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffgehäuse (6) mit der Metallbodenplatte (9) mit Hilfe von Nieten (10) oder ähnlichen Befestigungsmitteln verbunden ist.