DE3941814A1 - Carrier plate for power semiconductor components - has metal plate provided with ceramics disc divided into pieces between metallised areas - Google Patents

Carrier plate for power semiconductor components - has metal plate provided with ceramics disc divided into pieces between metallised areas

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Abstract

The carrier plate comprises a metal base plate (1) with an attached metallised insulating disc of a thermally conductive ceramics material in at least two pieces (2a,2b,2c) spaced from one another relative to the base plate (1) and galvanically coupled together via conductive bridges (6). The ceramics disc has a structured metallised layer on at least one side, with the different pieces (2a,2b,2c) obtained by splitting the disc between the metallised areas at one side, so that the conductive bridges between them remain.

Description

Die Hauptpatentanmeldung P 38 37 617.2 bezieht sich auf einen Trägerkörper zur elektrisch isolierten Anordnung von Bauteilen, der aus einer metallischen Grundplatte und einer metallisierten, auf der Grundplatte durch Löten befestigten, thermisch gut leitenden Isolierscheibe besteht, und bei welchem die Isolier­ scheibe in Stücke unterteilt ist, welche in gegenseitigem Abstand auf der Grundplatte fest aufgebracht und über leitfähige Überbrückungen galvanisch verbunden sind. Die Isolierscheibe ist bevorzugt aus einer, in einem speziellen Verfahren unmittelbar mit einer Kupferbeschichtung versehenen Keramik hergestellt.The main patent application P 38 37 617.2 relates to a Carrier body for the electrically insulated arrangement of components, that of a metallic base plate and a metallized, thermally well fixed on the base plate by soldering conductive insulating washer, and in which the insulating slice is divided into pieces, which are spaced apart firmly attached to the base plate and over conductive Bridges are galvanically connected. The insulating washer is preferably from one, in a special process directly with a copper-coated ceramic.

Mit einem solchen Aufbau wird die unerwünschte Verwölbung der Teilefolge aus Grundplatte und Isolierscheibe, die infolge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Metall und Keramik bei verfahrensbedingten Wärmebehandlungen zum Herstellen und Verarbeiten des Aufbaus entsteht, vermieden.With such a structure, the undesirable warpage of the Sequence of parts from base plate and insulating washer, which as a result of different coefficients of thermal expansion of metal and ceramics in process-related heat treatments for manufacturing and processing of the structure is avoided.

Wenn zu diesem Aufbau im weiteren als Keramikstücke bezeichnete Isolierscheibenstücke mit auf deren Fläche beschränkter Metallisierung vorgesehen sind und getrennt auf der Grundplatte angebracht werden, sind zusätzlich aufwendige Verfahrensschritte zum Herstellen und Befestigen der leitenden Überbrückungen erforderlich, womit Einschränkungen in der Nutzung der Metallisierung verbunden sind.If hereinafter referred to as ceramic pieces for this structure Insulating washer pieces with metallization limited to their area are provided and attached separately to the base plate, are additional complex process steps for manufacturing and Fixing the conductive bridges required with what Restrictions in the use of metallization are associated.

Ist jedoch das Ausbilden einer Isolierscheibe aus zwei oder mehr kleineren Elementen durch Aufreihen und Verbinden derselben mittels übergreifender Metallisierung vorgesehen, so liegt nach dem bei hohen Verfahrenstemperaturen erfolgenden Beschichten der Keramik mit Kupfer herstellungsbedingt eine Struktur vor, die häufig wegen toleranzüberschreitender Versetzung der Metallisierung gegenüber der Keramik für eine Weiterverarbeitung unbrauchbar ist.However, is forming an insulating washer from two or more smaller elements by lining up and connecting them using overlapping metallization is provided after coating of the ceramic at high process temperatures with copper due to the manufacturing process, often because of offset tolerance of metallization the ceramic is unusable for further processing.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Trägerkörper mit unterteilter Isolierscheibe nach dem Gegenstand der Hauptpatent­ anmeldung anzugeben, welcher beständig ist gegen unzulässige Formänderung nach Wärmebehandlung sowie gegenüber Bekanntem einfacher herstellbar ist, möglichst geringe Maßtoleranzen in der geometrischen Zuordnung von Metallisierung und Keramik aufweist und für gewünschte Bauteilanordnungen optimal strukturierbar ist.The invention is based, with a carrier body divided insulating washer according to the subject of the main patent to indicate which is resistant to impermissible Shape change after heat treatment and compared to the known easier is producible, the smallest possible dimensional tolerances in the geometric Assignment of metallization and ceramics and for desired component arrangements can be optimally structured.

Die Lösung der Aufgabe besteht bei einem Trägerkörper der eingangs erwähnten Art in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs.The solution to the problem consists of a carrier body at the beginning mentioned type in the characterizing features of the claim.

Anhand der in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung erläutert. Es zeigen Fig. 1 in Seitenansicht einen Trägerkörper, Fig. 2 in Querschnitt eine Isolierscheibe, Fig. 3 perspektivisch und Fig. 4 in Seitenansicht jeweils eine Isolierscheibe nach Fig. 2 mit in angepaßte Flächenbereiche unterteilter, oberer Metallisierung und Fig. 5 in Draufsicht auf die Unterseite einer Isolierscheibe eine Struktur von im Verbund angeordneten Keramikstücken. Für gleiche Teile sind in allen Figuren gleiche Bezeichnungen gewählt.The invention is explained on the basis of the exemplary embodiments illustrated in FIGS. 1 to 5. In the drawings Fig. 1 in side view of a carrier body, Fig. 2 in cross-section of an insulating washer, Fig. 3 shows in perspective and Fig. 4 in a side view, respectively, an insulating washer as shown in FIG. 2 divided into matched surface areas of upper metallization and Fig. 5 in top view the underside of an insulating pane is a structure of ceramic pieces arranged in a composite. The same designations are used for the same parts in all figures.

Ein Trägerkörper gemäß Fig. 1 besteht aus einer metallischen Grundplatte (1), vorzugsweise aus Kupfer, und aus drei, auf dieser befestigten, in eine Ebene und jeweils im Abstand angeordneten Keramikstücken (2a, 2b, 2c). Jede Unterseite derselben ist mit einer angepaßten Metallisierung (3a, 3b, 3c) vorzugsweise aus Kupfer beschichtet. Die Oberseiten der Keramikstücke sind über eine durchgehende, obere Metallisierung (4) aus gleichem Material verbunden. Beide Metallisierungen (3, 4) können mittels eines Hochtemperatur-Bondverfahrens unmittelbar auf der Keramik befestigt sein. Die Unterteilung einer solchen sogenannten DCB- Keramik ermöglicht großflächige Isolierscheiben für Anwendungen in der Halbleiter-Hochleistungselektronik.A carrier body according to Fig. 1 consists of a metallic base plate (1), preferably of copper, and of three, secured on this in a plane and are each arranged at a distance ceramic pieces (2 a, 2 b, 2 c). Each underside of the same is coated with an adapted metallization ( 3 a, 3 b, 3 c), preferably made of copper. The tops of the ceramic pieces are connected by a continuous upper metallization ( 4 ) made of the same material. Both metallizations ( 3 , 4 ) can be attached directly to the ceramic using a high-temperature bonding process. The subdivision of such a so-called DCB ceramic enables large-area insulating disks for applications in semiconductor high-performance electronics.

In Fig. 2 ist die der Darstellung in Fig. 1 entsprechende Isolierscheibe im Querschnitt gezeigt. Erfindungsgemäß ist die einstückige Keramik (2) mittels einer durch Zerteilen sich durchgehend bis zur oberen Metallisierung (4) erstreckenden Rille (5), die zwischen den getrennten unteren Metallisierungen (3a, 3b) verläuft, in zwei Abschnitte unterteilt. Die Rille (5) kann gewünschte Breite aufweisen. Durch die Unterteilung der Keramik mittels der Rille (5) sind die Keramikstücke in gleichbleibendem Abstand angeordnet. Damit ist in günstigster Weise die Einhaltung von Bearbeitungstoleranzen gewährleistet und auch jede vorgesehene Strukturierung der oberen Metallisierung (4) für gewünschte Schaltungskonfigurationen erzielbar. Die Rille (5) kann auch beliebigen Querschnitt aufweisen. Damit ist die Beschränkung des Abstandes der Keramikstücke auf einen betriebsbedingten Mindest­ abstand möglich.In FIG. 2, shown in Fig. 1 corresponding insulating disk is shown in cross-section. According to the invention the one-piece ceramic (2) by means of a extends continuously up to the upper metallization (4) extending by dividing groove (5), the bottom between the separate metallizations (3 a, 3 b) extends, divided into two sections. The groove ( 5 ) can have the desired width. By dividing the ceramic by means of the groove ( 5 ), the ceramic pieces are arranged at a constant distance. This ensures that machining tolerances are adhered to in the most cost-effective manner, and any proposed structuring of the upper metallization ( 4 ) can be achieved for the desired circuit configurations. The groove ( 5 ) can also have any cross section. This allows the distance between the ceramic pieces to be limited to an operational minimum.

In Fig. 3 ist die Anordnung gemäß Fig. 2 perspektivisch dargestellt. Dabei ist die obere Metallisierung (4) mittels einer Aussparung (7) in zwei, durch die Überbrückung (6) galvanisch verbundene Bereiche (4a, 4b) unterteilt. Die Aussparung (7) kann gleiche Breite wie die Rille (5) aufweisen und gleichzeitig mit der letzteren ausgebildet sein.The arrangement according to FIG. 2 is shown in perspective in FIG. 3. The upper metallization ( 4 ) is divided by a recess ( 7 ) into two areas ( 4 a, 4 b) that are galvanically connected by the bridging ( 6 ). The recess ( 7 ) can have the same width as the groove ( 5 ) and can be formed simultaneously with the latter.

Bei einer Anordnung gemäß Fig. 4 mit drei Keramikstücken (2a, 2b, 2c) ist das mittlere Keramikstück (2b) mit dem linken äußeren (2a) über die obere Metallisierung (4ab) und mit dem rechten äußeren (2c) über die untere Metallisierung (3bc) verbunden. Die verbleibenden Einzelmetallisierungen (3a, 3c) sind auf das jeweilige Keramikstück (2a, 2c) beschränkt. Die ersten beiden Keramikstücke (2a, 2b) sind durch eine an der Unterseite erzielte Rille (5ab) und die weiteren beiden Keramikstücke (2b, 2c) sind durch eine an der Oberseite angebrachte Rille (5bc) gebildet. Die Erfindung ermöglicht in überraschend einfacher Weise durch Zerteilen der Keramik- Ausgangsscheibe längs gegenseitig versetzten Metallisierungs- Zwischenräumen beider Seiten jede beliebige Unterteilung einer großflächigen Keramik in galvanisch verbundene Stücke zur Erzielung von Modulen oder Modulkombinationen. In an arrangement according to Fig. 4 with three ceramic pieces (2 a, 2 b, 2 c) is the mean ceramic piece (2 b) with the left outer (2 a) over the upper metallization (4 ab) and the right outer ( 2 c) connected via the lower metallization ( 3 bc). The remaining individual metallizations ( 3 a, 3 c) are limited to the respective ceramic piece ( 2 a, 2 c). The first two ceramic pieces ( 2 a, 2 b) are formed by a groove ( 5 ab) on the underside and the other two ceramic pieces ( 2 b, 2 c) are formed by a groove ( 5 bc) on the upper side. The invention enables, in a surprisingly simple manner, any division of a large-area ceramic into galvanically connected pieces to achieve modules or module combinations by dividing the ceramic output disk along mutually offset metallization gaps on both sides.

Wie in Fig. 5 gezeigt, ist eine Keramik (2) an ihrer Unterseite durch ein Raster von Rillen (5) als Zerteilmuster in sechs gleiche Abschnitte (2a bis 2f) unterteilt. Diese können an ihrer Metallisierung (4) auf ihrer nicht sichtbaren, oberen Seite in gewünschter Weise mittels Überbrückungen (6) verbunden sein und auf ihrer dargestellten, unteren Seite, jeweils eine angepaßte Metallisierung (3a bis 3f) aufweisen. Weiter sind Strukturen aus Keramikstücken erzielbar, bei welchen z. B. einander zugeordnete Abschnitte einer Teilstruktur zwecks besonderer Kennzeichnung im Prozeßverlauf durch ein Muster mit schmalen Rillen und die Teil­ strukturen gegenseitig durch ein Muster mit breiten Rillen unterscheidbar sind. Die gesamte Anordnung kann in gewünschter Weise in einer Isolierstoffumkapselung eingeschlossen sein.As shown in Fig. 5, a ceramic ( 2 ) is divided on its underside by a grid of grooves ( 5 ) as a dividing pattern into six equal sections ( 2 a to 2 f). These can be connected at their metallization ( 4 ) on their invisible, upper side in the desired manner by means of bridges ( 6 ) and each have an adapted metallization ( 3 a to 3 f) on their lower side. Furthermore, structures made of ceramic pieces can be achieved, in which, for. B. mutually assigned sections of a substructure for the purpose of special identification in the course of the process by a pattern with narrow grooves and the substructures are mutually distinguishable by a pattern with wide grooves. The entire arrangement can be enclosed in an insulating material encapsulation in the desired manner.

Die Vorteile der Erfindung bestehen in der maßgenauen Einhaltung einer vorbestimmten, gegenseitigen räumlichen Zuordnung der Keramikstücke sowie eines gewünschten Abstandes derselben, in der Wahl der Aufreihung von Keramikstücken in beiden Vorzugsrichtungen sowie in der einfachen Ausbildung von Keramikstücken beliebiger Größe.The advantages of the invention consist in the precise adherence a predetermined, mutual spatial assignment of the Ceramic pieces and a desired distance between them in the Choice of the arrangement of ceramic pieces in both preferred directions as well as in the simple formation of ceramic pieces Size.

Claims (1)

Trägerkörper zur elektrisch isolierten Anordnung von Bauteilen, bestehend aus einer metallischen Grundplatte und einer auf dieser befestigten, metallisierten Isolierscheibe aus thermisch gut leitender Keramik, bei welchem die Keramik aus wenigstens zwei Stücken (2) besteht und die Keramikstücke (2) in gegenseitigem Abstand auf der Grundplatte (1) befestigt und jeweils über leitfähige Überbrückungen (6) galvanisch verbunden sind, nach Patentanmeldung P 38 37 617.2, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - eine Keramikscheibe mit strukturierter Metallisierung auf wenigstens einer Seite vorgesehen ist, und
  • - die Keramikstücke (2) jeweils durch Zerteilen der Keramik­ scheibe zwischen metallisierten Bereichen der strukturierten einen Seite (3a, 3b, 3c) in getrennte, durch Überbrückungen (6) der anderen Seite verbundene Abschnitte gebildet sind.
The supports for electrically insulated arrangement of components consisting of a metallic base plate and a fixed on this metallized insulating thermally well-conducting ceramic, wherein the ceramic comprises at least two pieces (2), and the ceramic pieces (2) at a mutual distance on the Base plate ( 1 ) attached and each electrically connected via conductive bridges ( 6 ), according to patent application P 38 37 617.2, characterized in that
  • - A ceramic disk with structured metallization is provided on at least one side, and
  • - The ceramic pieces ( 2 ) are each formed by dividing the ceramic disc between metallized areas of the structured one side ( 3 a, 3 b, 3 c) in separate sections connected by bridges ( 6 ) on the other side.
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