DE3940933C2 - Verfahren zum Verformen einer Basisplatte für Halbleitermodule und Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zum Verformen einer Basisplatte für Halbleitermodule und Vorrichtung zum Durchführen des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verformen einer
Basisplatte für Halbleitermodule, bestehend aus mindestens zwei Platten unterschiedlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten, die durch eine
Lotschicht miteinander verbunden sind. Eine derartige Basisplatte ist
z. B. in der Zeitschrift "Der Elektroniker" Nr. 1, 1988, Seite 62 bis 69 beschrieben
worden.
Nach der konventionellen Technologie zum Herstellen
einer Basisplatte
wird auf eine Unterlage (zum Beispiel Kupferplatte) eine
Al₂O₃-Keramikplatte aufgelötet, worauf eine weitere Kupferplatte,
eine Molybdänschicht und schließlich Siliziumhalbleiter
jeweils durch Lotschichten aufgebracht sind.
Nach der keramik-kaschierten Methode wird die Al₂O₃-Keramik
vor dem Verlöten mit Hilfe einer eutektischen Schmelze
aus Cu/Cu₂O beidseitig mit einer Kupferschicht versehen
und diese dann mit einer Unterlage, beispielsweise einer
Kupferplatte,
verlötet. Die kupfer-kaschierte Keramikplatte
trägt die Silizium-Chips, welche ohne Molybdän-Zwischenschicht
direkt aufgelötet werden.
Ein Kunststoffgehäuse schützt den jeweiligen Modul vor Beschädigung.
Um Halbleitermodule vor Zerstörung durch vor allem bei deren
Verwendung in der Leistungselektronik entstehende
Wärme zu schützen, ist ein guter wärmeleitfähiger Kontakt
des Moduls zu einem Kühlkörper erforderlich. Hierzu muß
die Kupferträgerplatte des Moduls, bezogen auf einen ebenen
Kühlkörper, als konvex gewölbe Fläche - vorzugsweise als
Kugeloberfläche - vorliegen, so daß bei seitlicher Verschraubung
des Moduls auf den betreffenden Kühlkörper das
Modul unter mechanischer Spannung an den Kühlkörper angepreßt
wird. Das Erzielen einer entsprechenden Form der
Trägerplatte stellt ein großes Problem dar:
Die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kupfer und Al₂O₃
sind stark verschieden, so daß die beim Verlöten der Platten
notwendigerweise auftretende Wärme dazu führt, daß
sich die Al₂O₃-Keramik und die Kupferträgerplatte unterschiedlich
stark ausdehnen (Bimetalleffekt). Die Folge
ist, daß nach Abkühlung der Anordnung nicht mehr eine
planparallele, sondern eine, auf den Kühlkörper bezogen,
konkav gekrümmte Kupferträgerplatte vorliegt. Das bedeutet,
daß ein guter Kontakt der Trägerplatte zum Kühlkörper
nur noch an den seitlichen Flächen der Anordnung gewährleistet
ist, der Mittelteil jedoch keinen oder nur
schlechten Kontakt aufweist und so kaum zur Wärmeabführung
beitragen kann.
Um eine konvex gewölbte, möglichst einer Kugeloberfläche
entsprechende Plattenanordnung zu erhalten, könnte man genügend
kleine Keramikplatten auf eine konvex vorgeformte
Kupferträgerplatte mittels einer Weichlotverbindung aufbringen,
so daß sich nach Abkühlung der Anordnung die gewünschte
Plattenanordnung zumindest näherungsweise ergibt.
Wegen der Beziehung Δx = Δα · ΔT · L, wobei Δx die Differenz
der linearen Ausdehnung und Δα die Differenz der linearen
Ausdehnungskoeffizienten von Keramik- und Kupferplatte bezeichnet,
sowie ΔT die Temperaturdifferenz der Anordnung
zwischen Schmelztemperatur des Lots und Raumtemperatur und
L die Länge der aufzubringenden Keramikplatte, folgt, daß
ein günstiges Verfahren zur Vermeidung von unerwünschten
Trägerplattenverformungen darin besteht, Δx und damit also
die Parameter Δα, ΔT und L möglichst zu verkleinern. Dem
sind jedoch Grenzen gesetzt:
Δα ist allein materialabhängig und somit nicht variabel,
solange die Verwendung von Kupfer und Al₂O₃ als Basisplattenmaterial
verlangt ist. Um die Differenz der Temperaturen
während des Lötvorgangs und nach Abkühlung der Anordnung
möglichst klein zu halten, muß ein Lot verwendet werden,
das eine niedrige Schmelztemperatur besitzt, andererseits
jedoch nicht derart niedrig, daß die später bei Betrieb
des Halbleitermoduls in Form von Wärme entstehende
Verlustleistung das Lot zum Schmelzen bringt. Es sind
Schmelztemperaturen von ca. 180°C üblich. Diese Maßnahme
reicht jedoch nicht mehr aus, wenn größere Keramikplatten
verwendet werden sollen, da die Keramikplattenlänge L
ebenfalls proportional in die Beziehung für die Differenz
der linearen Ausdehnung zweier Materialien eingeht. Es
bietet sich an, statt einer einzigen großen Keramikplatte
mehrere kleine Platten zu verwenden, um so die Länge L
wunschgemäß zu dimensionieren. Da diese Maßnahme jedoch
bedingt, daß viele Einzelteile jeweils für sich montiert
werden müssen und zudem zusätzliche Verbindungen zwischen
den Einzelplatten notwendig werden, ist diese Möglichkeit
insgesamt unwirtschaftlich.
Das in der Zeitschrift "Der Elektroniker"
beschriebene Modul vermeidet das Problem
der Krümmung der Baisplatte offensichtlich dadurch,
daß die Keramikplatte beidseitig mit einer
Kupferplatte verbunden wird. Im AT-Patent Nr. 377 386 ist
das Problem des Aufwölbens der Grundplatte offensichtlich
dadurch vermieden, daß die aus Kupfer bestehende Grundplatte
mit einem Gehäuseoberteil zu einer starren mechanischen
Einheit verbunden wird, die keine Tendenz mehr zur
Aufwölbung zeigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum Verformen einer Basisplatte derart auszugestalten,
daß die schädliche Aufwölbung auch dann verhindert wird,
wenn eine Platte höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten
einseitig mit einer Platte niedrigen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten verbunden ist. Außerdem soll eine
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die
Schritte:
- a) die Basisplatte wird mit der Platte höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf eine bezüglich der Basisplatte konkave Preßschale aufgelegt,
- b) die Basisplatte wird erwärmt, bis die Lotschicht plastisch verformbar wird,
- c) die Basisplatte wird soweit verformt, bis sich ihre Form der Form der Oberfläche der Preßschale angepaßt hat und nach dem Abkühlen eine Restkonvexität erhalten bleibt.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckvorrichtung
zwei parallel angeordnete Platten mit gekrümmten Unterkanten
aufweist, die der bezüglich der Basisplatte konkaven
Oberfläche der Preßschale angepaßt sind und daß die
Druckvorrichtung und/oder die Preßschale zur Verformung
der Platte senkrecht zu den gekrümmten Flächen verschiebbar
sind.
Das Verfahren läßt sich dadurch weiterbilden, daß die
Platte mit höherem Wärmeausdehnungskoeffizient aus Kupfer
und die andere Platte aus Aluminiumoxid besteht und ein
Lot der Zusammensetzung PbSnAg 40/59/1 verwendet wird. Es
empfiehlt sich dabei, eine Temperatur zwischen 130 und
150°C anzuwenden. Hat die Platte größere Abmessungen, so
ist es günstig, eine in Längs- und Querrichtung konkave
Preßschale zu verwenden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Anordnung
bestehen darin, daß die Preßschale beheizbar ist, was
beispielsweise durch eine Heizwendel bewirkt werden kann.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1 bis 5
näher erläutert, woraus sich weitere Einzelheiten, Merkmale
und Vorteile ergeben.
Es zeigt
Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau eines Leistungshalbleitermoduls;
Fig. 2 eine Basisplatte eines Leistungshalbleitermoduls
nach dem Abkühlvorgang der großflächigen Weichlotverbindung;
Fig. 3 eine Druckvorrichtung sowie eine Preßschale mit
Halbleitermodul;
Fig. 4 eine in einer Preßschale befindliche Basisplatte,
bestehend aus Kupferträgerplatte mit mittels großflächiger
Weichlotverbindung aufgebrachter Keramikplatte;
Fig. 5 eine Basisplatte nach Abkühlung und Entnahme aus
der Preßform.
Der in Fig. 1 dargestellte prinzipielle Aufbau eines
Leistungshalbleitermoduls 1 besteht aus einer Kupferträgerplatte
2, einer mittels Weichlotschicht 3 aufgebrachten
Al₂O₃-Keramik 4 auf der, mittels einer weiteren Lotschicht
5, die eigentlichen Halbleiter-Bauteile 6 befestigt sind.
Ein Kunststoffgehäuse 7 schützt den Halbleitermodul 1 vor
Beschädigung.
In Fig. 2 ist die Anordnung dargestellt, wie sie üblicherweise
nach der Erkaltung der großflächigen Weichlotverbindung
3 vorliegt.
Liegen vor Erstellung der großflächigen Weichlotverbindung
3 Keramik- 4 und Kupferplatte 2 parallel angeordnet vor,
so bildet die Kupferträgerplatte 2 nach Erkaltung der Anordnung
eine, bezogen auf die Keramikplatte 4 konvexe Verformung
aus, bedingt durch die stark unterschiedlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten α von Kupfer (αCu = 17,5 ×
10-6) und Al₂O₃ (α Al₂O₃ = 6,6 × 10-6). Diese bezüglich
des Kühlkörpers 8 konkave bzw. hohle Ausbildung der Kupferplatte
2 bedeutet, daß eine gute thermische Ankopplung
der Kupferplatte 2 an einen ebenen Kühlkörper 8 nicht mehr
gewährleistet werden kann. Ideal ist dagegen eine nach Erkaltung
der Lötverbindung 3 bezüglich des Kühlkörpers
leicht konvex ausgebildete Trägerplattenform, da eine anschließende
Verbindung - beispielsweise Verschraubung 9 -
der Außenseiten der Trägerplatte 2 mit dem Kühlkörper 8
eine besonders enge mechanische Verbindung und damit eine
entsprechend gute thermische Kopplung ergibt.
Zur Erzielung dieser leicht konvexen Trägerplattenform im
erkalteten Zustand bietet sich die Verwendung einer vor
der Verlötung relativ stark konvex vorgeformten Trägerplatte
2 an, so daß nach Erkaltung der Lotschicht 3 die
gewünschte Restkonvexität der Kupferplatte 2 vorliegt.
Dieses Verfahren ist allerdings nur für genügend kleine
Keramikplatten 4 geeignet, denn Versuche zeigen, daß bei
Verlötung größerer Keramikplatten 4 eine konvexe
Vorverformung der Trägerplatte 2 nicht ausreicht, um nach
Abkühlung der großflächigen Lotschicht 3 die konkave
Verformung der Trägerplatte 2 zu verhindern. Es ergibt
sich wiederum eine unerwünschte Anordnung gemäß Fig. 2.
Hinzu kommt, daß dieses Verfahren der Auflötung kleiner
dimensionierter Keramikplatten 4 recht aufwendig ist, da
eine zusätzliche gegenseitige Verdrahtung notwendig wird.
Anhand der Fig. 3 bis 5 wird ein genaues Ausführungsbeispiel
der Erfindung erläutert.
Fig. 3 zeigt die Vorrichtung gemäß der Erfindung:
Eine beheizbare Schale 14 besteht aus einer bezüglich der
Trägerplatte 2 konkav vorgeformten, massiven Platte, die
über die gesamte Unterseite großflächig mit einer Heizwendel
16 versehen ist. Ein bis auf Anbringung und Vergießen
des Gehäuses bereits völlig fertiggestellter, einsatzfähiger
Halbleitermodul 1 mit Basisplatte 2, 3, 4 befindet
sich innerhalb der Schale 14; deutlichkeitshalber sind die
Wölbungen der Schale 14 und der Platten 11 der Druckvorrichtung
10 übertrieben stark ausgeprägt bezeichnet.
Zu beachten ist, daß die Kupferplatte 2 der Basisplatte 2,
3, 4 eines handelsüblichen Moduls 1 so groß ist, daß alle
vier Seiten der Kupferplatte 2 über die aufgelöteten Keramikplatten
4 hinaustragen, und zwar einerseits an den Querseiten
des Moduls 1 zwecks Verschraubungsmöglichkeit 9 der
Kupferplatte 2 mit einem Kühlkörper 8, andererseits aber
auch an den Längsseiten 15.
Diese schmalen überstehenden Längskanten 15 der Kupferplatte
2 bilden die Angriffsflächen für die verformende
Druckvorrichtung 10. Die eigentliche Druckvorrichtung 10
besteht aus zwei parallel angeordneten Platten 11 mit entsprechend
der Schale 14 konvex ausgestalteten Unterkanten
12, deren Dicke der Breite der überstehenden Längskanten
15 der Kupferplatte 2 entsprechen und deren Abstand derart
gewählt ist, daß sie an den Keramikplatten 4 des Halbleitermoduls
1 vorbeigleitend, auf die genannten Längskanten
15 der Kupferplatte 2 aufsetzen.
In Vertikalrichtung sind die gekoppelten Platten 11 verschiebbar
angeordnet, so daß eine von oben auf die gekoppelten
Platten 11 wirkende Kraft 13 über die Platten
11 auf die überstehenden Längskanten 15 der Kupferträgerplatte
2 übertragen wird.
Fig. 4 zeigt die Schale 14 mit Heizwendel 16 sowie die
in der Schale 14 befindliche Basisplatte 2, 3, 4 des Halbleitermoduls
1. Die Pfeile 13 weisen auf die von den
Druckplatten 11 herrührenden Kräfte hin, die auf die
Längskanten 15 der Kupferträgerplatte 2 wirken. Infolge
der konvexen Plattenunterkanten 12 sowie der mit gleicher
Krümmung konkav geformten Schale 14 verformt sich die Kupferplatte
2 des Halbleitermoduls 1 unter dieser Krafteinwirkung
entsprechend. Dabei bewirkt die Steifigkeit der
Kupferplatte 2, daß nicht nur die Längskanten 15, sondern
die gesamte Kupferplatte 2 gut an die konkave Fläche der
Schale 14 angedrückt wird. Die Verformung wird dadurch erleichtert,
daß während des Pressens gleichzeitig über die
Heizwendel 16 der Schale 14 soviel Wärme zugeführt wird,
daß das Lot der Lotschicht 3 plastische Eigenschaften annimmt,
ohne jedoch den Schmelzpukt zu erreichen. Vorzugsweise
werden die Module 1 vor der eigentlichen Verformung
auf ca. 150°C vorgewärmt und erst anschließend in die beheizte
Preßschale 14 eingelegt.
Das Andrücken der Kupferplatte 2 an die Preßschale 14 mittels
Druckvorrichtung 10 ermöglicht hierbei einen guten
Wärmefluß von der Heizwendel 16 über die Preßschale 14 auf
die zu erwärmende Lotschicht 3 des Halbleitermoduls 1.
Fig. 5 zeigt die Basisplatte 2, 3, 4 des Halbleitermoduls
1 nach Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung und
nach Abkühlung des Halbleitermoduls 1 auf Raumtemperatur:
Die Verformung der Basisplatte 2, 3, 4 hat sich teilweise
zurückgebildet, so daß insgesamt eine wunschgemäße Restkonkavität
vorliegt und dauerhaft fixiert ist.
Im konkreten Ausführungsbeispiel wurde ein handelsüblicher
Leistungs-Halbleitermodul 1 verwendet, mit einer zu verformenden
Kupferträgerplatte 2 der Maße 94 mm × 34 mm × 3 mm
(Länge × Breite × Dicke) und einer mittels Lötfolie 3
aufgelöteten Al₂O₃-Keramikplatte 4 der Maße 61 mm ×
29 mm × 0,635 mm. Die ca. 0,2 mm dicke Weichlötschicht 3
zwischen Kupferplatte 2 und Al₂O₃-Keramik 4 entspricht einer
Legierung der Zusammensetzung PbSnAg 40/59/1, deren
Schmelzpunkt 183°C beträgt. In diesem Fall bietet sich
eine Heiztemperatr von 130°C bis 150°C an, um eine
Plastizität des Lots 2 zu erzielen. Im Experiment wurde
vornehmlich bei 150°C gearbeitet. Der gleichzeitig ausgeübte
Druck auf die Längsseiten 15 der Kupferplatte 2 wurde
während 5 s aufrechterhalten, wobei die Kupferplatte 2
900 µm (vertikal in Druckrichtung gemessen) durchgedrückt
wurde. Nach Entfernung aus der Preßvorrichtung 10, 14 und
bei Abkühlung des Moduls 1 auf Raumtemperatur bildet sich
die Verformung auf 100 µm zurück, so daß die wunschgemäße
Restkonvexität der Kupferträgerplatte 2 bezüglich eines Kühlkörpers dauerhaft fixiert
ist. Bei seitlicher Verschraubung 9 der Kupferplatte 2 mit
einem großflächigen planen Kühlkörper 8 entsteht, unter
leicht mechanischer Spannung, eine ideale thermische Ankopplung
des Halbleitermoduls 1 an den Kühlkörper 8, so
daß insgesamt die Möglichkeit einer optimalen Wärmeabfuhr
gewährleistet ist.
Claims (8)
1. Verfahren zum Verformen einer Basisplatte für Halbleitermodule, bestehend
aus mindestens zwei Platten unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten,
die durch eine Lotschicht miteinander
verbunden sind,
gekennzeichnet durch die Schritte:
- a) die Basisplatte (2, 3, 4) wird mit der Platte (2) höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf eine bezüglich der Basisplatte konkave Preßschale (14) aufgelegt,
- b) die Basisplatte wird erwärmt, bis die Lotschicht (3) plastisch verformbar wird,
- c) die Basisplatte wird soweit verformt, bis sich ihre Form der Form der Oberfläche der Preßschale angepaßt hat und nach dem Abkühlen eine Restkonvexität erhalten bleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Platte
mit höherem Wärmeausdehnungskoeffizient aus Kupfer und die andere
Platte aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) besteht und ein Lot der
Zusammensetzung PbSnAg 40/59/1 verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
gekennzeichnet durch eine Temperatur zwischen
130 und 150°C.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem
der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß eine
Druckvorrichtung (10) zwei parallel angeordnete Platten
(11) mit gekrümmten Unterkanten (12) aufweist, die der bezüglich
der Basisplatte konkaven Oberfläche der Preßschale
angepaßt sind und daß die Druckvorrichtung (10) und/oder
die Preßschale (14) zur Verformung der Platte (2)
senkrecht zu den gekrümmten Flächen verschiebbar sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Preßschale
(14) sowohl in Längs- als auch in Querrichtung konkav ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Preßschale
(14) in Längs- und Querrichtung derart konkav ausgebildet
ist, daß ihre Oberfläche einer Kugeloberfläche entspricht.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Preßschale
(14) beheizbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Preßschale
(14) mit einer Heizwendel (16) versehen ist.
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