DE4330070A1

DE4330070A1 - Halbleitermodul

Info

Publication number: DE4330070A1
Application number: DE4330070A
Authority: DE
Inventors: Yoshihiko Koike; Ryuichi Saito; Sigeki Sekine; Yuuji Wakisawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-09-08
Filing date: 1993-09-06
Publication date: 1994-03-10
Also published as: US5446318A; JP2838625B2; JPH0689954A; US5585672A

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung und insbe sondere den Aufbau eines Leistungshalbleitermoduls mit einer Mehrzahl von Leistungsanordnungen, die auf einem Substrat montiert und in einer Isolierpackung abgedichtet sind.

Wie gut bekannt ist, gibt es Leistungshalbleitermodulen mit Leistungshalbleiterschaltanordnungen, wie z. B. IGBTs, GTOs oder Leistungstransistoren, die in Isolierpackungen abgedichtet sind. Jeder dieser Leistungshalbleitermodulen wird durch Laminieren einer Basisplatte, einer inneren Kühlplatte zur Abführung der in den Halbleiterchips er zeugten Wärme und Isolierplatten zur elektrischen Isola tion der Halbleiterchips und der erwähnten Basisplatte im Modul und auch durch Verbinden dieser Platten mit einer Lot- oder Hartlotlegierung gebildet. Die Endkühlung der Leistungshalbleitermodulen wird durch Kühlrippen oder Wärmerohre erreicht, die an der Basisplatte befestigt werden.

In einem wie beschrieben aufgebauten Leistungshalbleiter modul ändert sich die Temperatur des ganzen Halbleiter moduls mit der Schaltbedingung. Auch im Leistungshalb leitermodul treten Temperaturunterschiede zwischen den zwischen den Halbleiterchips angeordneten Schichten und der Trägerbasisplatte auf. Die Lebensdauer des Leistungs halbleitermoduls wird durch eine Erscheinung bestimmt, daß Risse aufgrund der der oben erwähnten Temperaturänderung des gesamten Moduls und dem Temperaturunterschied inner halb des Moduls zuzuschreibenden Wärmeermüdung in dem die Bestandteile untereinander verbindenden Lot- oder Hartlot material auftreten, so daß der Wärmewiderstand des Lots oder Hartlots steigt.

Um die Lebensdauer des Leistungshalbleitermoduls zu ver längern, schlägt JP-A-60-257 141 einen Aufbau vor, bei dem die Wärmebelastungs-Pufferplatten dicker als die Anschluß platten in einer Halbleiteranordnung mit den Isolierplat ten, Anschlußplatten, Wärmebelastungs-Pufferplatten und Halbleiterchips sind, die nacheinander durch Lot an der Metallbasis befestigt werden.

Andererseits offenbart JP-A-61-237 456 einen Aufbau, bei dem der lineare Ausdehnungskoeffizient und der Elastizi tätsmodul jeder inneren Kühlplatte auf bestimmte Werte beschränkt werden, um dadurch die Wärmeermüdung jeder Lötschicht in einer Halbleiteranordnung zu unterdrücken, die ein Halbleitersubstrat, das mit einem Metallsubstrat unter Zwischenfügung eines Hilfsmetallsubstrats und einer Isolierplatte verbunden ist, aufweist.

Bei der oben erwähnten Technik wurde, wenn der Aufbau des Leistungshalbleitermoduls bezüglich der Verlängerung der Lotlebensdauer zu optimieren ist, da die Dicke einiger in nerer Kühlplatten festgelegt ist, die Optimierung nicht ausreichend hinsichtlich der gegenseitigen Beziehung der Dicke der einzelnen inneren Kühlplatten angestrebt.

Obwohl die Lebensdauervorhersage gewöhnlich im Fall eines Wärmezyklustests durchgeführt wird, ist dies für Lei stungshalbleitermodulen mit Verwendung verschiedener Plat tendicken im Fall von Arbeitsbedingungen, wo eine Tempera turdifferenz im Halbleitermodul durch Ein- und Ausschalten der Halbleiterchips auftritt, dicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Halbleitermodul mit einer Mehrzahl von inneren Kühlplatten und/oder einer Isolierplatte (gemeinsam als Trägerplatten bezeichnet), die durch Lot- oder Metallhartlotmaterial miteinander verbunden sind, zu entwickeln, so daß er einen Aufbau mit Optimierung der Wärmeermüdungslebensdauer jeder der Verbindungsschichten hat und die Lebensdauer des gan zen Moduls verlängert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt diese Erfindung einen Halbleitermodul mit einer Mehrzahl von Halbleiterchips, inneren Kühlplatten zum Tragen der Halbleiterchips und einer Isolierplatte, die durch Lot- oder Metallhartlotma terial miteinander verbunden sind, vor, mit dem Kennzei chen, daß die Dicke der Basisträgerplatte mehr als das 2,5-fache der Maximaldicke der inneren Trägerplatten beträgt.

Wenn eine Mo-Kühlplatte unter jedem der oben erwähnten Mehrzahl der Halbleiterchips angeordnet wird und eine einzelne innere Kupferkühlplatte unter diesen Mo-Platten angeordnet wird, beträgt die Dicke der inneren Kupferkühl platte mehr als das 2-fache der Dicke der erwähnten Mo- Platten.

Die Erfindung schlägt auch einen Halbleitermodul mit einer Mehrzahl von Halbleiterchips, Kühlplatten zum Tragen die ser Halbleiterchips und einer Isolierplatte, die gestapelt und durch Lot- oder Metallhartlotmaterial miteinander ver bunden sind, vor, wobei eine innere Kupferkühlplatte und eine Kupferbasisplatte mit unterschiedlichen Dicken über bzw. unter der Isolierplatte angeordnet sind.

In jedem der oben erwähnten Fälle kann die innere Kühl platte oder die Isolierplatte so gekrümmt sein, daß der Mittelteil der inneren Kühlplatte zur Lötschicht so ge wölbt ist, daß die Umfangsdicke der Lötschicht mehr als das 1,5-fache der Dicke des Mittelteils der Lötschicht be trägt.

Durch Bilden von Plattierschichten auf und unter der Iso lierplatte mit der Einfügung von Metallisierungsmustern auf beiden Seiten der isolierplatte und durch Verbinden der Kühlplatten jeweils mit der oberen bzw. unteren Plat tierschicht unter Einfügung von Lötschichten über den Plattierschichten können die Flächen der Plattierschichten kleiner als die Flächen der Kühlplatten gemacht werden, die auf und unter den Plattierschichten angeordnet sind.

Weiter können Mo-Kühlplatten unter den Halbleiterchips, eine Cu-Kühlplatte unter den Mo-Kühlplatten und eine Mo- Kühlplatte an der der Trägerbasisplatte zugewandten Seite der Cu-Kühlplatte angeordnet werden.

Wenn die Fläche der Trägerbasisplatte 40 cm² oder mehr ist, ist die Dicke der oben erwähnten Trägerbasisplatte vorzugsweise 8 mm oder mehr.

In jedem der oben erwähnten Fälle kann der Isolationsab stand zwischen den Anoden- und Kathodenanschlüssen der Halbleiterchips in der Durchgangsdickenrichtung der unter den Anschlußzuführungen angeordneten Isolierplatten gesi chert werden.

Mit der Erfindung kann, da die Dicke der Trägerbasisplatte auf mehr als das 2,5-fache der Maximaldicke der im Halb leitermodul laminierten Kühlplatten festgelegt wird die Lebensdauer der die Kühlplatten oder Isolierplatten im Halbleitermodul verbindenden Lötschichten ausgeglichen werden, und die Lebensdauer des ganzen Halbleitermoduls kann verlängert werden.

Weiter können, wenn die Mo-Platten unter einer Mehrzahl von Halbleiterchips und eine Cu-Kühlplatte darunter ange ordnet werden, da die Dicke der Cu-Kühlplatte auf mehr als das Doppelte der Dicke der Mo-Platten festgelegt wird, die Lebensdauern der Lötschichten zum Verbinden der Kühlplat ten oder Isolierplatten im Halbleitermodul ausgeglichen und die Lebensdauer des ganzen Halbleitermoduls verlängert werden.

Wenn die Kühlplatten oder Isolierplatten so gekrümmt wer den, daß die Mittelteile der Kühlplatten oder Isolierplat ten zu den Verbindungslötschichten gewölbt werden und die Umfangsteile der Lötschichten mehr als die 1,5-fache Dicke im Vergleich mit den Mittelteilen der Lötschichten aufwei sen, läßt sich die Ausbreitung eines Risses im Umfangsteil der Lötschicht wirksam unterdrücken.

Wenn die Flächen der Plattierschichten kleiner als die Flächen der auf und unter den Plattierschichten angeordne ten Kühlplatten eingerichtet werden, wird ein Teil, durch den das restliche das entweichen kann, gesichert, so daß die Poren der Lötschicht vermindert werden können.

Weiter kann, wenn die Mo-Kühlplatten unter den Halblei terchips und eine Cu-Kühlplatte unter den Mo-Kühlplatten und eine Mo-Kühlplatte auf der Trägerbasisplattenseite der Cu-Kühlplatte angeordnet werden, der Betrag der Verwerfung bei Raumtemperatur verringert werden.

Wenn die Fläche der Trägerbasisplatte 40 cm² oder mehr ist, ist es, falls die Dicke der Endträgerplatte auf 8 mm oder mehr eingerichtet wird, möglich, die Probleme, wie z. B. unebene Montage des Moduls an Kühlrippen oder Anstieg des Wärmekontaktwiderstandes infolge einer Verwerfung der Trägerbasisplatte, zu lösen.

Wenn der Isolationsabstand zwischen den Anoden- und Katho denanschlüssen der Halbleiterchips in der Durchgangsdic kenrichtung der unter den Anschlußzuführungen angeordneten Isolierplatte gesichert wird, kann die Fläche des Halblei termoduls verringert werden.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschau lichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zei gen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung, die den inneren Aufbau eines Ausführungsbeispiels des Halbleitermoduls gemäß der Erfindung veranschaulicht;

Fig. 2 eine Ansicht, die die innere Anordnung des Halb leitermoduls in Fig. 1 veranschaulicht;

Fig. 3 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Dicke der Trägerbasisplatte und der Lebensdauer der Löt schichten bei dem im Ausführungsbeispiel in Fig. 1 durchgeführten Wärmeermüdungstests zeigt;

Fig. 4 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Dicke anderer Kühlplatten und der Lotlebensdauer am Punkt optimaler Lebensdauer veranschaulicht, der durch die Dicke der Trägerbasisplatte im Ausfüh rungsbeispiel in Fig. 1 bestimmt wird;

Fig. 5 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Dicke der Mo-Platten und der Dicke der Kühlplatte zum Verhindern einer Zerstörung von Si-Chips durch thermische Belastung im Ausführungsbeispiel in Fig. 1 veranschaulicht;

Fig. 6 ist ein Querschnitt, der schematisch die Dicke der Lötschichten zur Verbindung von der Kühlplatte, die auch als die Kollektorelektrode dient, für Trägerbasisplatte veranschaulicht;

Fig. 7 ist eine Perspektivdarstellung, die schematisch veranschaulicht, wie eine Lötverbindung über einer Ecke der Isolierplatte durchgeführt wird;

Fig. 8 einen Querschnittsaufbau, der ein Ausführungsbei spiel veranschaulicht, bei dem eine Mo-Platte mit der Trägerbasisplattenseite der Kühlplatte, die auch als der Elektroanschluß dient, verbunden wird;

Fig. 9 einen Querschnittsaufbau des Halbleitermoduls mit drei darauf montierten Si-Chips; und

Fig. 10 eine Aufsicht zur Veranschaulichung der Anordnung der Si-Chips usw. im Ausführungsbeispiel nach Fig. 9.

Die Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Fig. 1 bis 10 beschrieben. In der folgenden Beschrei bung wird die Maximaldicke unter Kühlplatten in einem Halbleitermodul durch eine Bezugsdicke 1 dargestellt, so daß jede Dicke der Kühlplatten durch ein Verhältnis be züglich der Bezugsdicke dargestellt wird.

Fig. 1 ist eine Schnittdarstellung, die den inneren Aufbau eines Ausführungsbeispiels des Halbleitermoduls gemäß der Erfindung veranschaulicht. Fig. 2 ist eine Aufsicht zur Veranschaulichung der inneren Anordnung des Halbleitermo duls in Fig. 1. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird die Dicke einer inneren Kühlplatte 103 aus Cu, die auch als die Kollektorelektrode dient, als die Bezugsdicke 1 betrachtet, auf der acht Elektrodenstück-Si-Chips einer Dicke von 0,1, wie in Fig. 2 gezeigt, verteilt angeordnet sind. Sechs unter den Si-Chips sind IGBT-Chips 101 und zwei davon sind Diodenchips 102.

Die Si-Chips 101, 102 sind mit der Kühlplatte 103 durch eine Lötschicht 100 verbunden. Wenn die Si-Chips 101, 102 mit der Kühlplatte 103 verbunden werden, werden Kühlplat ten 104 aus Mo mit einer Dicke von beispielsweise 0,43 zwischen den Chips und der Kühlplatte 103 eingefügt. Die Kühlplatte 103 wird durch eine Lötschicht 105 mit einer Isolierplatte 106 aus Al₂O₃ einer Dicke von 0,21 verbun den. Die Isolierplatte 106 wird durch eine Lötschicht 107 mit einer Kupferbasis 108 einer Dicke von 3,33 verbunden. Die auch als die Kollektorelektrode dienende Kühlplatte 103 wird durch eine nicht gezeigte Lötschicht mit einem Kollektoranschluß 110 verbunden.

Die Emitterelektroden der IGBT-Chips 101 und die Anoden elektroden der Diodenchips 102 werden mit dem Emitteran schluß 114 durch Al-Drähte 115 verbunden. Der Emitteran schluß 114 wird durch eine Lötschicht 113 mit der Emitter anschluß-Isolierplatte 112 aus Al₂O₃ einer Dicke von bei spielsweise 1,36 verbunden. Der Emitteranschluß 112 wird durch eine Lötschicht 111 mit der Kühlplatte 103 als der Kollektorelektrode verbunden.

Die Gate-Elektroden der IGBT-Chips 101 werden mit dem Gate-Anschluß 119 durch Al-Drähte 115 verbunden. Der Gate-Anschluß 119 wird durch eine Lötschicht 118 mit einer Gate-Anschluß-Isolierplatte 117 aus Al₂O₃ einer Dicke von beispielsweise 1,36 verbunden. Die Gate-Anschluß-Isolier platte 117 wird durch eine Lötschicht 116 mit der Platte 103 als einer Kollektorelektrode verbunden.

Bei dem Halbleitermodul dieses Ausführungsbeispiels wird der Grund, woraufhin diese Plattendicken bestimmt werden, im folgenden beschrieben.

Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Dicke der Kupferbasis 108 und den Lebens dauern der Löt schichten veranschaulicht, wenn ein Wärmeermüdungstest mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 durchgeführt wurde. Insbesondere zeigt Fig. 3 die Beziehung zwischen der Kup ferbasisdicke und der Lebensdauer jeder Lötschicht, was ein Ergebnis der Durchführung des Experiments in dem Ball darstellt, daß die Dicke der Kühlplatten 103, 104 oder der Isolierplatte 106 außer der Kupferbasis 108 ein der in der Fig. 1 für den Wärmeermüdungstest beschriebenen Dicke gleichartiger Wert ist, d. h. die Si-Chips werden in den Ein-Zustand geschaltet, und die Si-Chip-Oberflächen werden auf 125°C erhitzt, die Si-Chips werden in den Aus-Zustand geschaltet, und sie werden abgekühlt, und diese Vorgänge werden wiederholt.

Wenn der Dicke der Kupferbasis 108 variiert wird, zeigen die Lebensdauern der Lötschichten 105, 107 entgegengesetz te Tendenzen, so daß sich die Kurven untereinander schnei den. Dieser Schnittpunkt zeigt den Punkt optimaler Lebens dauer. Wenn die Dicke der Kupferbasis in der Nachbarschaft dieses Schnittpunkts gewählt wird, kann die Verlängerung der Lebensdauer des Halbleitermoduls erreicht werden.

Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Dicken anderer Kühlplatten und der Lotlebensdauer an dem durch die Dicke der Kupferbasis im Ausgangsbeispiel nach Fig. 1 bestimmten Punkt optimaler Lebensdauer veranschau licht. Insbesondere zeigt Fig. 4 ein Ergebnis der Unter suchung der Dicke der Kühlplatten 103, 104 am in Fig. 3 gezeigten Punkt optimaler Lebensdauer in Abhängigkeit von der Kupferbasisdicke, wenn die Dicke der Kupferbasis 108 Als die Bezugsdicke 1 bezüglich der Dicke der Kühlplatte 103 variiert wird, die in dem in Fig. 1 gezeigten Ausfüh rungsbeispiel als die Kollektorelektrode dient.

Die Kühlplatten 103, 104 haben die optimalen Dicken ent sprechend der variierten Dicke der Kupferbasis 108, und die Dicke der Kupferbasis 108 ist ständig über dem 2,5- fachen der Maximaldicke der Kühlplatte 103.

Auch haben die Kühlplatten 103 und die Kupferbasis 108, die auf und unter der Isolierplatte 106 vorliegen, ständig unterschiedliche Dicken. Dabei dient die Kühlplatte unter der Isolierplatte 106 auch als die Kupferbasis 108. Die Dicke jeder Kühlplatte ist nicht notwendigerweise durch den Punkt optimaler Lebensdauer begrenzt und es ist offen sichtlich, daß jede Kühlplatte irgendwelche Dickenwerte haben kann, solange der Wärmewiderstand in dem durch die Arbeitsbedingung des Halbleitermoduls begrenzten Bereich liegt, wie er z. B. in Fig. 4 gezeigt ist.

Weiter tritt, solange der Halbleitermodul im Bereich der erforderlichen Betriebslebensdauer liegt, ein Problem auf, wenn der Halbleitermodul derart aufgebaut wird, daß der Ausgleich der Plattendicken nicht bewußt aufgrund bei spielsweise der Begrenzungen der Höhe des Halbleitermoduls gestört wird.

Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Dicken der Mo-Platten und der Kühlplatte 103 zur Verhinde rung einer Einwirkung einer mechanisch zerstörerischen Beanspruchung auf die Si-Chips im Ausgangsbeispiel nach Fig. 1 veranschaulicht. Im einzelnen zeigt Fig. 5 den Bereich der Dicken der Mo-Platten 104 als den ersten Kühlplatten und der inneren Kühlplatte 103, um die Bedin gung zur Vermeidung größerer Beanspruchungen als die Ein wirkung einer zerstörenden Belastung auf die Si-Chips bei der Lötverbindung oder dem nachfolgenden Harzeinformver fahren beim Halbleitermodul in einem in Fig. 1 gezeigten planaren Aufbau zu zeigen, wenn die Dicke der inneren Kühlplatte 103, die auch als die Kollektorelektrode ver wendet wird, als die Bezugsdicke 1 betrachtet wird. Die Dicke der Kühlplatte 103 beträgt ständig mehr als die 2-fache Dicke der Mo-Kühlplatten 104.

Solange diese Bedingung erfüllt wird, mit anderen Worten, wenn der Wärmewiderstand in dem durch die Arbeitsbedingun gen des Halbleitermoduls begrenzten Bereich liegt, wie in Fig. 5 gezeigt wird, tritt kein Problem auf, welcher Be reich auch immer für die Plattendicke gewählt wird. Wenn eine Mehrzahl von Halbleiterchips im Halbleitermodul pa rallel geschaltet wird, ist es möglich, die Dicke des Teils der Mo-Platte zu verringern, der schwierig zu kühlen ist, während die Halbleiterchips Wärme erzeugen, um den Wärmewiderstand unter bestimmten Halbleiterchips zu ver ringern und dadurch den Wärmewiderstand des ganzen Halb leitermoduls gleichmäßig zu machen, oder es ist möglich, die Dicke der Mo-Platten unter den Halbleiterplättchen zu steigern, wo eine Wärmeänderung innerhalb des Bereichs des begrenzten Wärmewiderstandes heftig auftritt, um einen Ausgleich der Lotlebensdauer im ganzen Halbleitermodul aufrechtzuerhalten.

Weiter werden in diesem Ausführungsbeispiel zur Isolation zwischen den Kollektoren und den Emittern und zwischen den Kollektoren und den Gates von IGBTS auf einem Halbleiter modul die Emitter-Anschluß-Isolierplatte 112 und die Gate- Anschluß-Isolierplatte 117, die beide aus Al₂O₃ bestehen, unter dem Emitter-Anschluß 114 und dem Gate-Anschluß 119 vorgesehen. Durch diese Anordnung wird der hauptsächliche elektrische Widerstand durch den Durchgangsdicken-Kriech abstand gesichert. Durch diesen Aufbau läßt sich die Flä che des Halbleitermoduls mehr als beim herkömmlichen Halb leitermodul verringern, der die dielektrische Festigkeit durch den flachen Oberflächen-Kriechabstand sichert.

Weiter kann bei diesem Aufbau aufgrund des Niveauunter schiedes zwischen den Si-Chips und den oben erwähnten Anschlüssen die Schleifenhöhe der Al-Drähte beibehalten, und die Lebensdauer der Drahtverbindung läßt sich wirksam verlängern.

Fig. 6 ist ein Querschnitt, der schematisch die Dicken der Lötschichten zeigt, die die auch als die Kollektorelektro de dienende Kühlplatte, die Isolierplatte 106 und die Kupferbasis 108 miteinander verbinden. Im einzelnen veran schaulicht Fig. 6 schematisch die Dicken der Lötschichten 105 und 107 zur Verbindung von der auch als Kollektorelek trode dienenden Kühlplatte 103 bis zur Kupferbasis 108.

Die Lebensdauern der Lötschichten können durch Steigerung der Schichtdicke verlängert werden, doch wenn die Dicke steigt, treten Probleme, wie die Ungleichmäßigkeit der Schichten und ein Anstieg des Wärmewiderstandes, auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Kühlplatte 103 ge krümmt, und der Umfangsteil der Lötschicht 105 ist auf das 1,5- bis 2-fache im Vergleich mit dem Mittelteil verdickt.

Eine Steigerung der Dicke der Lötschicht führt, wenn di rekt unter den Si-Chips durchgeführt, direkt zu einem hö heren Wärmewiderstand. Andererseits ist, auch wenn der Um fangsteil der Kühlplatte eine größere Dicke erhält, der Anstieg des Wärmewiderstandes sehr gering. Die Lebensdauer der einer Wärmeermüdung ausgesetzten Lötschicht wird durch einen Riß beeinträchtigt, der vom Umfangsteil der Löt schicht ausgeht. Daher kann durch Steigern der Dicke des Umtangsteils der Schicht die Ausbreitung des Risses wirk sam unterdrückt werden.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Dicke der Isolier platte 106 geringer als 1/4 der Dicke der Kühlplatte 103. Infolgedessen wird ein Krümmung der Isolierplatte 106 ent sprechend dem Betrag der Krümmung der Kühlplatte 103 er möglicht, wenn die Lötverbindung durchgeführt wird und die Dicken der Lötschichten 105 und 107 auf und unter der Iso lierplatte 106 können auf mehr als das 1,5-fache der Dicke des Mittelteils verdickt werden.

Fig. 7 ist eine Perspektivdarstellung, die schematisch veranschaulicht, wie eine Lötverbindung an einer Ecke der Isolierplatte durchgeführt wird. Wenn das Lot schmilzt, fließt das Lot schneller längs der Kante als auf der fla chen Oberfläche der Platte. Beim Lötverbinden in diesem Ausführungsbeispiel gibt es eine Möglichkeit, daß, bevor die die ganze flache Oberfläche mit Lot benetzt wird, das Lot längs der Kante fließt und nur den Umfangsteil umgibt. In diesem Fall verursacht das restliche Gas in der Lot schicht, die keinen Gasauslaß hat, daß in der Lotschicht Poren gebildet werden.

In diesem Beispiel ist das Metallisierungsmuster 170 auf der Isolierplatte 106 von einer etwa 1 mm kleineren Abmes sung als die Kühlplatte 103, um dadurch zu verhindern, daß das geschmolzene Lot den Rand der Kühlplatte 103 erreicht, so daß ein Teil, aus dem das Restgas entweichen kann, ge sichert wird und die Poren in der Lötschicht auf weniger als 5% reduziert werden.

Fig. 8 ist eine Querschnittsdarstellung, die ein Ausfüh rungsbeispiel zeigt, bei dem eine Mo-Platte mit der der Kupferbasis 108 darunter zugewandten Seite der Kühlplatte 103, die auch als der Kollektoranschluß dient, verbunden ist. Im einzelnen veranschaulicht Fig. 8 das Ausführungs beispiel, bei dem eine Mo-Platte 180 mit der der Kupfer basis 108 zugewandten Seite der Kühlplatte 103, die auch als der Kollektoranschluß dient, verbunden ist. Wenn die Dicke der Kühlplatte 103 beispielsweise als die Bezugs dicke 1 betrachtet wird und die Mo-Platte 104 mit einer Dicke von 0,43 mit der Kühlplatte 103 in der in der Auf sicht in Fig. 2 gezeigten Anordnung verbunden wird, wölbt sich, wenn die lotverbundenen Platten von der Verbindungs temperatur von etwa 810°C auf Raumtemperatur von etwa 25°C abgekühlt werden, die ganze Kühlplatte 103 zur Mo-Platte 104 infolge eines Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizient.

Bei diesem Ausführungsbeispiel kann durch gleichzeitiges Verbinden der Mo-Platte 180 mit einer Dicke von 0,03 unter der Kühlplatte 103 der Krümmungsbetrag auf 200 µm oder weniger bei Raumtemperatur von etwa 25°C verringert wer den.

Fig. 9 ist eine Querschnittsdarstellung, die einen Aufbau des Halbleitermoduls mit drei darauf montierten Stücken von Si-Chips zeigt. Fig. 10 ist eine Aufsicht, die die Anordnung der Si-Chips usw. im Ausführungsbeispiel in Fig. 9 zeigt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel wird die Maxi maldicke bei den Kühlplatten im Halbleitermodul als die Bezugsdicke 1 betrachtet, und drei Stücke von Si-Chips mit einer Dicke von 0,1 werden verteilt auf einer Kühlplatte 190 aus beispielsweise Cu, die auch als die Kathodenelek trode dient, angeordnet.

Die drei Si-Chipstücke, d. h. Diodenchips 102, werden mit der Kühlplatte 190 durch eine Lötschicht 100 unter Zwi schenfügung der Mo-Kühlplatte 104 mit einer Dicke von beispielsweise 0,43 verbunden. Die Kühlplatte 190 wird mit der Isolierplatte 106 aus Al₂O₃ mit einer Dicke von 0,2 durch eine Lötschicht 105 verbunden. Die Isolierplatte 106 wird mit einer Kupferbasisplatte 108 mit einer Dicke von 3,33 durch eine Lötschicht 107 verbunden.

Der Kathodenanschluß 191 wird mit der Kühlplatte 190, die auch als die Kathodenelektrode dient, durch eine Löt schicht 109 verbunden. Die Anodenelektroden der Dioden chips 102 werden mit dem Anodenanschluß 192 durch Al-Dräh te 115 verbunden. Der Anodenanschluß 192 wird mit der Emitteranschluß-Isolierplatte 112 aus Al₂O₃ mit einer Dicke von beispielsweise 0,73 durch eine Lötschicht 113 verbunden. Die Emitteranschlußisolierplatte 112 wird mit der Kathodenelektrode 190 durch eine Lötschicht 111 ver bunden.

Die Gründe zur Bestimmung der Dicken der Kühlplatten, der Isolierplatten und der Kupferbasisplatte wurden unter Hinweis auf die Fig. 3 bis 5 beschrieben.

Wenn in diesem Ausführungsbeispiel eine 3 mm dicke Platte als die Kühlplatte 103 zur Leichtigkeit der Hantierung ei nes Teils mit einer kleinen Krümmung beim Zusammenbau ver endet wird, auch mit einem bisher auf dem Markt erhältli chen Halbleitermodul, der weniger darauf montierte Si- Chips und eine Kupferbasisfläche von etwa 40 cm² hat, Kann, wenn der Wärmewiderstand geringer als der durch das Verwendungsziel begrenzte Bereich ist, die Betriebslebens dauer unter Verwendung einer 8 mm dicken oder dickeren Basisplatte unter Berücksichtigung der Wärmeermüdungsle bensdauer verlängert werden. Weiter ist es, wenn eine Trägerplatte oder Kupferbasis von 8 mm Dicke oder größerer Dicke verwendet wird, möglich, die Probleme, wie z. B. un ebene Montage an Kühlrippen, zu lösen, die mit einer dün nen Basisplatte und dem erhöhten Wärmekontaktwiderstand zwischen den Rippen und der Basisplatte infolge der Krüm mung der Schaltungsplatte auftraten.

Gemäß der Erfindung kann durch Verwendung einer Träger basisplatte oder Kupferbasis, die eine über 2,5-fache Dicke als die Dicke der inneren Kühlplatten hat, die Wär meermüdungslebensdauer der Verbindungsschichten ausgegli chen werden, um eine verlängerte Lebensdauer des ganzen Halbleitermoduls zu sichern.

Wenn die Mo-Platten unter einer Mehrzahl von Halbleiter chips angeordnet werden und eine einzelne Kupferkühlplatte darunter angebracht wird, kann, da die Dicke der Kupfer kühlplatte auf mehr als die doppelte Dicke im Vergleich mit der der Mo-Platten festgelegt wird, durch Bildung ei nes Ausgleichs der Lebensdauern der die Kühlplatten und die Isolierplatten im Halbleitermodul verbindenden Löt schichten die Lebensdauer des gesamten Halbleitermoduls verlängert werden.

Claims

1. Halbleitermodul mit einer Mehrzahl von Halbleiterchips (101, 102), Kühlplatten (103, 104) zum Tragen der Halb leiterchips und einer Isolierplatte (106), die durch Lot- oder Metallhartlotmaterial miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke einer Basisträgerplatte (108) mehr als das 2,5-fache der Maximaldicke der inneren Trägerplat ten (103, 104) beträgt.

2. Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mo-Kühlplatte (104) unter jedem der Mehrzahl der Halbleiterchips (101, 102) angeordnet ist, daß eine einzelne innere Kupferkühlplatte (103) unter den Mo- Platten (104) angeordnet ist und daß die Dicke der in neren Kupferkühlplatte (103) mehr als das zweifache der Dicke der Mo-Platten (104) beträgt.

3. Halbleitermodul mit einer Mehrzahl von Halbleiterchips (101, 102), Kühlplatten (103, 104) zum Tragen der Halb leiterchips und einer Isolierplatte (106), die gesta pelt und durch Lot- oder Metallhartlotmaterial (105, 107) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine innere Kupferkühlplatte (103) und eine Kupfer basisplatte (108) mit unterschiedlichen Dicken auf bzw. unter der Isolierplatte (106) angeordnet sind.

4. Halbleitermodul nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Kühlplatte (103) oder die Isolierplatte (106) so gekrümmt ist, daß der Mittelteil der inneren Kühlplatte (103) zur Lötschicht (105) so gewölbt ist, daß die Umfangsdicke der Lötschicht mehr als das 1,5- fache der Dicke des Mittelteils der Lötschicht beträgt.

5. Halbleitermodul nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch Bilden von Plattierschichten auf und unter der Isolierplatte (106) mit der Einfügung von Metalli sierungsmustern auf beiden Seiten der Isolierplatte und durch Verbinden der Kühlplatten (103, 108) mit der oberen bzw. der unteren Plattierschicht unter Einfügung von Lötschichten über den Plattierschichten die Flächen der Plattierschichten kleiner als die Flächen der auf und unter den Plattierschichten angeordneten Kühlplat ten gemacht sind.

6. Halbleitermodul nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mo-Kühlplatten (104) unter den Halbleiterchips (101, 102) angeordnet sind, daß eine Cu-Kühlplatte (103) unter den Mo-Kühlplatten angeordnet ist und daß eine Mo-Kühlplatte (180) an der der Basisträgerplatte (108) zugewandten Seite der Cu-Kühlplatte (103) ange ordnet ist.

7. Halbleitermodul nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die Fläche der Basisträgerplatte (108) 40 cm² oder mehr ist, die Dicke der Basisträgerplatte 8 mm oder mehr ist.

8. Halbleitermodul nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Halbleiterchips (101, 102) mit einer einzelnen Kühlplatte (103) verbunden sind und eine Mehrzahl von Elektroden (191, 192) zwischen den Halbleiterchips und der Kühlplatte verdrahtet sind und der Isolationsabstand zwischen den Drähten in der Durchgangsdickenrichtung der zwischen den Drähten oder den Elektroden angeordneten Isolierplatten (112, 117) gesichert ist.