DE4107312A1 - Montageanordnung von halbleiterbauelementen auf einer leiterplatte - Google Patents

Montageanordnung von halbleiterbauelementen auf einer leiterplatte

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Description

Die Erfindung betrifft eine Montageanordnung eines Halbleiterbauelementes auf einer Leiterplatte, wobei die metallische Auflagefläche des Halbleiterbauelemen­ tes über eine wärmeleitfähige Schicht mit der Leiter­ platte verbunden ist.
Werden in elektronischen Baugruppen Leistungsbauele­ mente eingesetzt, so muß aufgrund ihrer hohen Verlust­ leistung für ausreichende Wärmeabfuhr gesorgt werden. Zur Kühlung solcher Leistungsbauelemente werden bei­ spielsweise Kühlkörper verwendet, wodurch einmal die Größe solcher Baugruppen zunimmt und eine einfache und kostengünstige Fertigung andererseits nicht möglich ist. Bei einer fertigungstechnisch günstigen Montageva­ riante werden die Leistungsbauelemente auf die Leiter­ platte aufgelötet, wodurch jedoch fast keine Kühlung der Leistungsbauelemente gegeben ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Monta­ geanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die eine ausreichende Kühlung sicherstellt und fertigungs­ technisch einfach durchzuführen ist, jedoch keine auf­ wendigen Kühlmittel erfordert.
Die Lösung dieser Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gegeben.
Das Wesen der Erfindung besteht demnach darin, die Ver­ lustwärme über die im Bereich der Auflagefläche des Halbleiterbauelementes angeordneten Durchkontaktierun­ gen auf die darunterliegende Zwischenschicht abzufüh­ ren, wo sie schnell von dem metallischen Träger aufge­ nommen wird, falls die Zwischenschicht entsprechend dünn ausgeführt ist. Solche zusätzlichen Durchkontak­ tierungen stellen fertigungstechnisch nur einen gerin­ gen zusätzlichen Aufwand dar, wobei keine zusätzlichen oder besonderen Fertigungsschritte erforderlich sind, da solche Durchkontaktierungen schon zur Leitungsver­ bindung zwischen den Kontaktstrukturen auf den beiden Seiten der Leiterplatte bzw. zwischen verschiedenen Leitungsebenen von Multilayer-Leiterplatten erfor­ derlich sind. Durch diese erfindungsgemäße Art der Wär­ meabfuhr kann der thermische Widerstand einer Leiter­ platte in Abhängigkeit der Anzahl der vorgesehenen Durchkontaktierungen erheblich gesenkt werden, so daß die für das sichere Arbeiten der elektrischen Baugruppe erforderliche Kühlung sichergestellt werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Leiterplatte im Bereich der Auflagefläche des Halbleiterbauelementes kupferkaschiert, so daß dieses Halbleiterbauelement auf die Leiterplatte gelötet wer­ den kann.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Er­ findung ist die Unterseite der Leiterplatte kupferka­ schiert, um die Wärme über eine möglichst große Fläche an die Zwischenschicht und damit an den metallischen Träger abzuführen.
Vorzugsweise sind die zur Wärmeabfuhr vorgesehenen Durchkontaktierungen der Leiterplatte mit Kupfer ka­ schiert, wodurch die Lötung in diesem Bereich der Durchkontaktierungen zur Verbesserung der Wärmeabfuhr führt.
Weiterhin kann bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung die Leiterplatte mittels eines Klebers auf den metallischen Träger geklebt werden.
Ferner kann zur Bildung der Zwischenschicht die Leiter­ platte unter Verwendung einer kunstharzgetränkten Glas­ fasermatte mit dem metallischen Träger verpreßt werden.
Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausfüh­ rungsbeispieles im Zusammenhang mit der Zeichnung dar­ gestellt und erläutert werden. Hierzu zeigt die Abbil­ dung eine Querschnittsansicht eines auf einer Leiter­ platte angeordneten Halbleiterbauelementes.
In der Figur ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Halblei­ terbauelement, beispielsweise ein Leistungstransistor dargestellt. Dieses Halbleiterbauelement 1 weist eine metallische Auflagefläche 3 auf, die eine Grundplatte oder ein Gehäusesockel sein kann. Weiterhin ist dieses Halbleiterbauelement 1 auf eine Leiterplatte 2 über eine Schicht 4 aufgelötet. Im Bereich dieser Schicht 4 ist die Leiterplatte 2 kupferkaschiert, dargestellt mit dem Bezugszeichen 4a, um somit überhaupt mittels einer Lotschicht 4b eine Lötung vornehmen zu können. Ebenso ist die Unterseite der Leiterplatte 2 kupferkaschiert, dargestellt mit dem Bezugszeichen 4d. Ferner ist eine Anschlußleitung 1a des Halbleiterbauelementes 1 über eine Lotschicht 4b mit einer Leitbahn 4c auf der Ober­ fläche der Leiterplatte 2 verlötet. Weiterhin ist die Leiterplatte 2 über eine elektrisch isolierende Zwischenschicht 5 mit einer Trägerplatte 6, beispiels­ weise aus Aluminium verbunden. Diese Verbindung kann mittels einer Klebung oder einer Verpressung mittels einer kunstharzgetränkten Glasfasermatte erfolgen.
Schließlich sind zur Wärmeabfuhr im Bereich der metal­ lischen Auflagefläche 3 des Halbleiterbauelementes 1 kupferkaschierte (Bezugszeichen 4a) Durchkontaktierun­ gen 7 vorgesehen, die eine wärmeleitende Verbindung zwischen der wärmeleitfähigen Schicht 4 und der Zwi­ schenschicht 5 herstellen. Diese Durchkontaktierungen 7 können ganz oder teilweise mit Lot 4b gefüllt sein, wo­ durch die Wärmeleitung verbessert wird. Insbesondere wird dies noch durch die kupferkaschierte Unterseite der Leiterplatte unterstützt, da die Wärme über eine große Fläche durch die Zwischenschicht 5 abgeführt wird. Da diese Zwischenschicht 5 sehr dünn ist, weist sie einen sehr geringen thermischen Widerstand auf, so daß die durch die Durchkontaktierungen 7 abgeführte Verlustwärme von der Trägerplatte 6 aufgenommen wird. Der thermische Widerstand dieser Zwischenschicht 5 kann auch dadurch gesenkt werden, daß ein wärmeleitfähiges Material, beispielsweise ein wärmeleitfähiger Klebstoff verwendet wird.
Durch die erfindungsgemäße Lösung kann der thermische Widerstand einer Leiterplatte wesentlich gesenkt wer­ den, wie dies an dem folgenden Rechenbeispiel darge­ stellt werden soll. Der thermische Widerstand einer Leiterplatte mit 1,6 mm Dicke ohne die erfindungsgemä­ ßen Durchkontaktierungen beträgt ca. 44 K/W bei einer Auflagefläche des Transistors 1 von 150 mm2. Werden nun bei einer solchen Leiterplatte Durchkontaktierungen mit einer Bohrung von 0,7 mm und einer Kupferschicht von 50 um vorgesehen, ergibt sich als thermischer Wider­ stand für eine einzelne Durchkontaktierung ein Wert von ca. 36 K/W. Werden im Bereich der metallischen Auflage­ fläche des Halbleiterbauelementes n Durchkontaktierun­ gen eingebracht, so kann der benötigte thermische Widerstand über diese Anzahl n eingestellt werden. Bei­ spielsweise ergibt sich für n=15 ein thermischer Wi­ derstand von ca. 2,4 K/W.
Diese oben beschriebene erfindungsgemäße Kühlmaßnahme ist für alle Halbleiterbauelemente durchführbar, die einen metallischen Gehäusesockel oder eine metallische Grundplatte aufweisen, so daß eine gute wärmeleitende Verbindung zu den Durchkontaktierungen sichergestellt werden kann. Neben der in dem Ausführungsbeispiel ver­ wendeten zweiseitig kupferkaschierten Leiterplatte kom­ men auch Multilayer-Leiterplatten zur Anwendung. Schließlich kann diese erfindungsgemäße Art der Wär­ meabfuhr auch für flexible Leiterplatten vorgesehen werden.

Claims (6)

1. Montageanordnung eines Halbleiterbauelementes (1) auf einer Leiterplatte (2), wobei die metallische Auf­ lagefläche (3) des Halbleiterbauelementes (1) über eine wärmeleitfähige Schicht (4) mit der Leiterplatte (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter­ platte (2) mittels einer elektrisch isolierenden Zwi­ schenschicht (5) auf einem metallischen Träger (6) an­ geordnet ist und daß im Bereich der Auflagefläche (3) des Halbleiterbauelementes (1) derart wenigstens eine Durchkontaktierung (7) in der Leiterplatte (2) vorgese­ hen ist, daß über diese Durchkontaktierung (7) eine wärmeleitende Verbindung zwischen der wärmeleitfähigen Schicht (4) und der elektrisch isolierenden Zwischen­ schicht (5) hergestellt wird.
2. Montageanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Bildung der wärmeleitenden Schicht (4) die Leiterplatte (2) im Bereich der Auflagefläche (3) des Halbleiterbauelementes (1) eine Kupferschicht (4a) aufweist und das Halbleiterbauelement (1) mit sei­ ner Auflagefläche (3) auf diese Kupferschicht (4a) auf­ gelötet ist.
3. Montageanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Leiterplatte (2) auf der gesamten Unterseite kupferkaschiert ist.
4. Montageanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der wärmeleitenden Ver­ bindung die Durchkontaktierungen (7) in der Leiter­ platte (2) mit einer Kupferschicht (4a) belegt sind.
5. Montageanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Zwischen­ schicht (5) die Leiterplatte (2) mittels eines Klebers auf den metallischen Träger (6) geklebt ist.
6. Montageanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Zwischen­ schicht (5) die Leiterplatte (2) unter Verwendung einer kunstharzgetränkten Glasfasermatte mit dem metallischen Träger (6) verpreßt ist.
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