DE4338107C1 - Halbleiter-Modul - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiter-Modul mit Halbleiterchips, die stoffschlüssig mit der Oberseite eines elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Substrats verbunden sind, das ebenfalls stoffschlüssig mit der Ober­ seite einer Metall-Bodenplatte verbunden ist, deren Unter­ seite konvex ausgebildet ist.

Ein solches Halbleiter-Modul ist z. B. in der DE 39 40 933 A1 beschrieben worden. Die konvexe Ausbildung der Bodenplatte hat den Zweck, einen einwandfreien thermischen Kontakt zwi­ schen ihr und einem Kühlkörper auch im Betrieb des Halblei­ ter-Moduls zu ermöglichen. Die bezüglich des Kühlkörpers konvex verformte Bodenplatte wird an ihren Enden an den Kühlkörper angeschraubt. Damit liegt die Bodenplatte mit ih­ rer ganzen Fläche am Kühlkörper an. Die konvexe Verformung wird so groß gewählt, daß im Betrieb ein Aufwölben der Bo­ denplatte in der Mitte nicht auftritt.

Bei dem im genannten Stand der Technik beschriebenen Modul ist die Bodenplatte über ihre gesamte Fläche gleich dick. Eine bezüglich des Kühlkörpers konvexe Verformung bewirkt daher auf der Oberseite eine konkave Verformung. Da sowohl das Substrat mit der Bodenplatte als auch die Halbleiterchips mit dem Substrat zumeist durch Weichlöten verbunden werden, hat das Lot im flüssigen Zustand die Tendenz, wegzulaufen. Damit ist jedoch eine einfache Montage sowohl des Substrats als auch der Halbleiterchips durch einfache Lötformen nicht möglich. Eine einfache Montage wird umso mehr erschwert, je größer die Konvexität der Bodenplatte ist und je mehr Teile auf der Bodenplatte montiert werden müssen.

Verfahren zur lotfreien Herstellung von Halbleiterbauelemen­ ten mit konvexer Verformung finden sich beispielsweise auch in der DE 39 17 765 und der DE 42 33 073. Hierbei besteht das Problem des Weglaufens des Lotes nicht. Allerdings ist diese Verbindungstechnik relativ teuer.

Ziel der Erfindung ist es, ein Halbleiter-Modul der erwähnten Gattung so weiterzubilden, daß eine einfache Montage mit einfachen Lötformen möglich wird, ein einwandfreier thermi­ scher Kontakt zwischen Bodenplatte und Kühlkörper jedoch gewährleistet bleibt.

Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß die Oberseite der Metall-Bodenplatte plan ist.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in Ver­ bindung mit der Figur näher erläutert. Es sei angemerkt, daß sowohl die konvexe Krümmung der Unterseite der Bodenplatte als auch die Dicke der zu montierenden Teile aus Gründen der besseren Darstellung übertrieben dargestellt ist.

In der Figur ist die Bodenplatte mit 1 bezeichnet. Sie be­ steht im allgemeinen aus einem gut wärmeleitenden Metall, z. B. aus Kupfer. Die Bodenplatte hat eine bezüglich eines Kühlkörpers 12 konvexe Unterseite 2 und eine plane Oberseite 5. Auf der Oberseite 5 ist ein thermisch gut leitendes, elektrisch isolierendes Substrat 6 angeordnet. Dies besteht üblicherweise aus Aluminiumoxid Al₂O₃ oder Aluminiumnitrid AlN und ist mit lötfähigen Leiterbahnen versehen. Das Substrat 6 wird mit der Oberseite 5 der Bodenplatte 1 durch eine Weichlotschicht 7 verbunden. Auf der Oberseite des Substrats 6 sind über Weichlotschichten 10, 11 Halbleiter­ chips 8, 9 befestigt. Diese können dann über die Leiterbah­ nen miteinander und mit Gehäuseanschlüssen verbunden sein. Die Oberseiten der Halbleiterchips 8, 9 sind üblicherweise über Bondverbindungen miteinander und mit den genannten Leiterbahnen verbunden.

Dadurch, daß die Oberfläche 5 plan ausgebildet ist, läßt sich die Montage der Teile 6, 8 und 9 stark vereinfachen. Für die Montage des Substrats 6 wird auf die Oberseite eine erste Lötform aufgelegt. In diese wird dann eine Lötfolie eingelegt und darauf das Substrat 6. Diese Teile werden dann in einem Durchlaufofen erhitzt. Beim Erhitzen des Lots ver­ bleibt dieses durch die Kapillarwirkung zwischen der Ober­ seite 5 und dem Substrat 6 zwischen diesen Teilen, so daß die genannten Teile einfach und sicher reproduzierbar mit­ einander verlötet werden können. In einem zweiten Durchlauf werden die Halbleiterchips 8, 9 in eine zweite Lötform ein­ gesetzt und dann im Durchlaufofen mit der Oberseite des Substrat 6 verlötet. Zweckmäßigerweise hat das für die Ver­ lötung der Halbleiterchips 8, 9 mit dem Substrat 6 verwen­ dete Lot einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Lot der Lot­ schicht 7.

Nachdem das Modul mit Anschlußleitern, einem Gehäuse und ei­ ner Gehäusefüllung versehen ist, wird es über die Boden­ platte an ihren Enden 3, 4 durch Schrauben auf den Kühlkör­ per 12 aufgeschraubt. Dabei verformt sich die Bodenplatte 1, bis die Unterseite 2 plan anliegt. Die Oberseite verformt sich konvex. Die zwischen den verlöteten Teilen auftretenden mechanischen Kräfte werden durch die Lotschichten 7, 10 und 11 aufgefangen.

Ist die Bodenplatte beträchtlich länger als breit, so genügt u. U. eine konvexe Verformung der Unterseite 2 in der Längs­ richtung. Bei Bodenplatten, deren Querabmessungen recht groß sind und z. B. in der Größe der Querabmessungen liegen, empfiehlt sich eine konvexe Verformung in beiden Richtungen. Der Unterseite 2 kann in diesem Fall z. B. die Form einer Kugelkalotte gegeben werden.

In einem praktischen Ausführungsbeispiel hat die Bodenplatte eine Länge von 137 mm und eine Breite von 127 mm. Ihre Dicke beträgt außen 5 mm, ihre größte Dicke in der Mitte liegt bei 5,4 bis 5,5 mm. Ein solches Modul wird dann z. B. durch 6 Schrauben auf dem Kühlkörper befestigt.

Claims (5)

1. Halbleiter-Modul mit Halbleiterchips (8, 9), die stoff­ schlüssig mit der Oberseite eines elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Substrats (6) verbunden sind, das eben­ falls stoffschlüssig mit der Oberseite (5) einer Metall- Bodenplatte (1) verbunden ist, deren Unterseite (2) konvex ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite (5) der Metall-Bodenplatte (1) plan ist.

2. Halbleiter-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite (2) der Metall-Bodenplatte (1) in Längs- und in Querrichtung konvex ausgebildet ist.

3. Halbleiter-Modul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite (2) der Metall-Bodenplatte (1) die Form einer Kugelkalotte hat.

4. Halbleiter-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterchips (8, 9) auf das Substrat (6) aufgelötet sind.

5. Halbleiter-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (6) auf die Metall-Bodenplatte (1) aufgelötet ist.