DE8914493U1 - Power module - Google Patents
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Description
89 6 199 40E89 6 199 40E
Leistungsbaugruppe &tgr;
5Power module &tgr;
5
Die Erfindung betrifft eine Leistungsbaugruppe mit einem Leistungsbauelement und einem Kühlkörper zum Abfuhren dar Verlustwärme des Leistungsbauelements.The invention relates to a power module with a power component and a heat sink for dissipating the waste heat of the power component.
Eine solche Leistungsbaugruppe nach dem Stand d<*r Technik ist z.B. io der deutschen Offenlegungssehrift 35 23 061 beschrieben. Dabei wird ein Leistungshalbleiterchip durch Lotung auf einem in Fztm einer kopf erschient ausgefüSirtsn Trager befestigt, der seine Vsrlustwärme auf eine größere Flache verteilen soll (Wärmespreizüng). Die Kupferschiiiirt wiederum ist auf einer Isolierschicht aus Keramik angeordnet und mit dieser durch eine intermetallische Verbindung verbunden. Der so gebildete Schichtenverband aus der Kupfer und der Keramikschicht mit dem aufgeloteten Leistungshalbleiter ist schließlich über die Keramikschicht mit einem Wärmeleitkleber auf dem Kühlkörper befestigt.Such a power module according to the state of the art is described, for example, in the German laid-open publication 35 23 061. In this case, a power semiconductor chip is attached by soldering to a carrier designed in the form of a head, which is intended to distribute its waste heat over a larger area (heat spreading). The copper layer, in turn, is arranged on an insulating layer made of ceramic and is connected to this by an intermetallic compound. The layer assembly thus formed from the copper and the ceramic layer with the soldered power semiconductor is finally attached to the heat sink via the ceramic layer with a thermally conductive adhesive.
Die Eigenschaften sowie die Herstellung eines solcher; Schichtenverbandes sind in einer Informationsschrift der Fa♦ DODUKO GmbH unter der Bezeichnung DC$ Substrat (Direct copper/bonding) beschrieben.The properties and the production of such a layered structure are described in an information leaflet from DODUKO GmbH under the name DC$ Substrate (Direct copper/bonding).
Die Dicke der Keramikschicht muß dabei größer gewählt werden, als es für die elektrische Isolierung notwendig wäre, da sonst die mechanische Festigkeit beim Herstellungsprozeß nicht mehr gegeben ware. Dadurch ist die erzielbare Wärmeleitfähigkeit begrenzt. Außerdem darf die Dicke des Keramikblättchens möglichst *enig variieren, da sich sonst örtliche Temperaturspitzen ergeben, die die Temperaturwechselbeständigkeit verschlechtern.The thickness of the ceramic layer must be greater than is necessary for electrical insulation, otherwise the mechanical strength would no longer be present during the manufacturing process. This limits the achievable thermal conductivity. In addition, the thickness of the ceramic sheet must vary as little as possible, otherwise local temperature peaks will occur which will impair the thermal shock resistance.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Leistungsbaugruppe so auszuführen, daß die Wärmeleitfähigkeit verbessert wird und sich gleichzeitig der Herstellungsprozeß vereinfacht.The object of the invention is to design a power module in such a way that the thermal conductivity is improved and at the same time the manufacturing process is simplified.
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Erfindungsgemäße Lösungen sind in den* Ansprüchen 1 und 9 gekennzeichnet. Solutions according to the invention are characterized in claims 1 and 9.
Gemäß Anspruch 1 besteht die Erfindung darin, die Isolierschicht nicht als vorher gefertigtes Teil auszufuhren, sondern als Beschichtung, die ihre endgültige Form erst während des Beschichtungsvorgangs erhalt. Dadurch ksn-n äie Isolierschicht beliebig dünn und mit einer sehr gleichmäßigen Schichtdicke ausgeführt isexden. Die geringere Schichtdicke verbessert die Wärmeleitung und durch die sehr gleichmäßige Schichtdicke treten keine örtlichen Temperaturspitzen auf.According to claim 1, the invention consists in not designing the insulating layer as a previously manufactured part, but as a coating which only takes on its final shape during the coating process. As a result, the insulating layer can be made as thin as desired and with a very uniform layer thickness. The lower layer thickness improves heat conduction and the very uniform layer thickness means that no local temperature peaks occur.
Eine weitere Verbesserung der Wärmeleitung ergibt sich aus der Tatsache, daß bei der Leistungsbaugruppe gemäß der Erfindung weniger Wärmeübergänge vorhanden sind, da die Beschichtung nur einseitig mit einem Wärmeleitkleber verbunden werden muß. Die Beschichtung kann auf dem Kühlkörper aufgetragen sein und mit dem Träger verklebt werden oder auf dem Träger aufgetragen sein und mit dem Kühlkörper verklebt werden.A further improvement in heat conduction results from the fact that in the power module according to the invention there are fewer heat transfers, since the coating only has to be bonded on one side with a thermally conductive adhesive. The coating can be applied to the heat sink and glued to the carrier or applied to the carrier and glued to the heat sink.
Die Beschichtung besteht vorzugsweise aus einem Keramikmaterial, das durch ein beliebiges geeignetes Beschichtungsverfahren aufgetragen wird, wie zum Beispiel durch Plasmaspritzen oder durch Sputtern.The coating preferably consists of a ceramic material applied by any suitable coating process, such as plasma spraying or sputtering.
Eine besonders verteilhafte Anwendung der Erfindung ergibt sich bei Leistungshalbleitern, die bereits in einem Gehäuse untergebracht sind, wobei der Gehäuseboden als Träger dient. Derartige Anordnungen mußten bisher vom Kühlkörper durch Zwischenlegen einer wärmeleitenden Isolierfolie oder eines wärmeleitenden Isolierblättchens Isoliert werden. Die Befestigung erfolgte dabei über eine entsprechend aufwendige mechanische Halterung oder durch Kleben, wobei die Isolierschicht beidseitig verklebt werden mußte. Im Falle des Klebens ergäbe.&igr; sich dabei insbesondere bei komplizierten Bäuförmen fertigungstechnische Probleme.A particularly useful application of the invention is for power semiconductors that are already housed in a housing, with the housing base serving as a support. Such arrangements previously had to be insulated from the heat sink by interposing a heat-conducting insulating film or a heat-conducting insulating sheet. The attachment was carried out using a correspondingly complex mechanical holder or by gluing, with the insulating layer having to be glued on both sides. In the case of gluing, this would result in manufacturing problems, particularly with complicated shapes.
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Bei einer weiteren er'findungsge'fitlißen'Lösung - Anspruch 9 - ist auf der Oberfläche eines Kühlkörpers aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung eine Eloxalschicht als Isolierung vorgesehen. Diese Eloxalschicht wird durch anodische Oxidation des Kühlkörpers erzeugt. Die Isolierschicht wird damit nicht wie bei der erstbeschriebenen Losung nach Anspruch 1 als zusätzliche Beschichtung aufgetragen, sondern durch Oxidation der Aluminiumoberfläche des Kühlkörpers selbst gewonnen.In a further solution according to the invention - claim 9 - an anodized layer is provided as insulation on the surface of a heat sink made of aluminum or an aluminum alloy. This anodized layer is produced by anodic oxidation of the heat sink. The insulating layer is therefore not applied as an additional coating as in the first-described solution according to claim 1, but is obtained by oxidation of the aluminum surface of the heat sink itself.
Zum Erzeugen einer solchen Eloxalschicht wird der gesamte Kühlkörper in einem Säurebad elektrolytisch oxidiert. Die Kosten für dieses Eloxieren entsprechen ungefähr denen, die bei der Beschichtungslösung nach Anspruch 1 für die Beschichtung für ein Leistungsbauelement anfallen. Das Eloxieren hat damit - bei gleichen Kosten - den Vorteil, daß der gesamte Kühlkörper auch gegen Korrosion geschützt ist. Sind mehrere Leistungsbauelemente auf einem Kühlkörper vorgesehen, ergibt sich damit sogar eine Kosteneinsparung.To produce such an anodized layer, the entire heat sink is electrolytically oxidized in an acid bath. The costs for this anodizing are approximately the same as those incurred for the coating solution according to claim 1 for the coating of a power component. Anodizing therefore has the advantage - at the same cost - that the entire heat sink is also protected against corrosion. If several power components are provided on a heat sink, this even results in cost savings.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:The invention is explained in more detail with reference to the figures.
Figur 1 eine Anordnung eines Leistungshalbleiters in Chipform auf einem Kühlkörper gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung
Figur 2 eine Anordnung von Leistungshalbleitern die in einemFigure 1 shows an arrangement of a power semiconductor in chip form on a heat sink according to a first embodiment of the invention
Figure 2 shows an arrangement of power semiconductors in a
Figur 3 eine Anordnung eines Leistungshalbleiters in Chipform auf einem Kühlkörper gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und Figure 3 shows an arrangement of a power semiconductor in chip form on a heat sink according to a second embodiment of the invention and
Figur 4 eine vergorßeite Darstellung einer Isolierschicht auf dem Kühlkörper.Figure 4 is an enlarged view of an insulating layer on the heat sink.
In Figur 1 ist mit 1 ein Leistungshalbleiter bezeichnet, der über eine Lotschicht L mit einem wärmeleitenden Träger 2 aus Kupfer verbunden ist. Der elektrische Anschluß des Leistungshalbleiters 1 erfolgt über in der Figur 1 angedeutete Bonddrähte auf eine nicht dargestellte Schaltung.In Figure 1, 1 denotes a power semiconductor which is connected to a heat-conducting carrier 2 made of copper via a solder layer L. The electrical connection of the power semiconductor 1 is made via bonding wires indicated in Figure 1 to a circuit not shown.
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Der wärmeleitende Träger' 2 ist'mit einem Kühlkörper 4 über eine wärmeleitende Klebschicht K und eine Isolierschicht 3 aus Aluminiumoxid (AL2O3 oder andere nicht elektrisch leitende KeralOikarten) mit einem Kühlkörper 4 aus Aluminium verbunden. 5The heat-conducting carrier 2 is connected to a heat sink 4 made of aluminum via a heat-conducting adhesive layer K and an insulating layer 3 made of aluminum oxide (AL 2 O 3 or other non-electrically conductive types of aluminum oxide). 5
Die Isolierschicht 3 ist auf dem Kühlkörper durch Plasmaspritzen aufgetragen. Plasmaspritzen ist in der Technik als eine Untergruppe der thermischen Spritzverfahren bekannt und z.B. in der Deutschen Norm DIN 32530 beschrieben. Die Dicke dieser Isolierschicht 3 richtet sich nach dem geforderten elektrischen Isoliervermögen. Beim Einsatz einer solchen Leistungsbaugruppe in einem Zündsteuergerät für Kraftfahrzeuge wird beispielsweise etwa eine Gleichspannungsfestigkeit von einem Kilovolt gefordert, wofür die Schichtdicke der Isolierschicht 3 dann ungefähr 100 Micrometer betragen muß.The insulating layer 3 is applied to the heat sink by plasma spraying. Plasma spraying is known in technology as a subgroup of thermal spraying processes and is described, for example, in the German standard DIN 32530. The thickness of this insulating layer 3 depends on the required electrical insulation capacity. When using such a power module in an ignition control unit for motor vehicles, for example, a DC voltage strength of around one kilovolt is required, for which the layer thickness of the insulating layer 3 must then be approximately 100 micrometers.
Die erfindungsgemäße Leistungsbaugruppe zeichnet sich besonders durch wenige Wärmeübergänge aus. Das relativ schlecht wärmeleitende Keramikmaterial der Isolierschicht 3 kann sehr dünnschichtig eingesetzt werden, da die erforderliche mechanische Festigkeit bei einer Beschichtung auch dann gegeben ist.The power module according to the invention is particularly characterized by few heat transfers. The relatively poorly heat-conducting ceramic material of the insulating layer 3 can be used in a very thin layer, since the required mechanical strength is also provided by a coating.
Die Figur 2 zeigt die Anordnung von einem oder mehreren Leistungshalbleitern auf einem Kühlkörper 4A, der oder die am Boden eines Gehäuses 5 angebracht sind, wobei dieser Boden als wärmeleitender Träger 2A dient.Figure 2 shows the arrangement of one or more power semiconductors on a heat sink 4A, which is or are attached to the bottom of a housing 5, wherein this bottom serves as a heat-conducting carrier 2A.
Der wärmeleitende Träger 2A ist mit dem Kühlkörper 4A über eine wärmeleitende Klebschicht K und eine Isolierschicht 3A verbunden. The thermally conductive carrier 2A is connected to the heat sink 4A via a thermally conductive adhesive layer K and an insulating layer 3A.
Die Isolierschicht 3A besteht wiederum aus Keramikoxid und ist auf dem Kühlkörper 4A als Beschichtung aufgetragen.The insulating layer 3A consists of ceramic oxide and is applied as a coating to the heat sink 4A.
Auch bei dieser Anordnung ist die Montage gegenüber den beim Stand der Technik üblichen Verfahren vereinfacht. Das bisher verwendete Isolierblättchen mußte auf zwei Seiten verklebt wer-With this arrangement, assembly is also simplified compared to the usual state-of-the-art methods. The insulating sheet used previously had to be glued on two sides.
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den, wohingegen bei dem erflndungsgemäßeh Verfahren nur eine Klebschicht notwendig ist.whereas with the method according to the invention only one adhesive layer is necessary.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 3 dargestellt. Die darin gezeigte Leistungsbaugruppe entspricht größtenteils der Leistungsbaugruppe gemäß Figur 1, wobei gleichbleibende Teile mit gleichen Funktionen auch mit den gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 versehen sind.A further embodiment of the invention is shown in Figure 3. The power module shown therein largely corresponds to the power module according to Figure 1, whereby identical parts with the same functions are also provided with the same reference numerals as in Figure 1.
Im Unterschied zu Figur 1 ist auf dem Kühlkörper 4 als Isolierschicht eine durch anodische Oxidation des Kühlkörpers 4 gebildete Eloxalschicht 3b vorgesehen. Der Kühlkörper 4 ist allseitig von dieser Eloxalschicht 3b umgeben, die damit gleichzeitig als Isolierung und als Schutz dient.In contrast to Figure 1, an anodized layer 3b formed by anodic oxidation of the heat sink 4 is provided as an insulating layer on the heat sink 4. The heat sink 4 is surrounded on all sides by this anodized layer 3b, which thus serves as both insulation and protection.
Eine vorteilhafte Weiterbildung 1st in Figur 4 gezeigt. Die beim Oxidationsvorgang von Aluminium entstehende Eloxalschicht 3b hat eine ungleichmäßige Oberfläche, da auch die Oberfläche des normalerweise gespritzten oder gegossenen Kühlkörpers 4 vor dem Eloxieren bereits ungleichmäßig ist. Es entsteht also eine Art Kraterlandschaft statt einer glatten Oberfläche aus Aluminiumoxid. Dieser Effekt tritt verstärkt auf bei der Verwendung von Aluminiumlegierungen, durch in der Oberfläche des Aluminiums eingeschlossene Legierungszusätze, die den Oxidationsvorgang behindern.An advantageous further development is shown in Figure 4. The anodized layer 3b created during the oxidation process of aluminum has an uneven surface, since the surface of the normally sprayed or cast heat sink 4 is already uneven before anodizing. This creates a kind of crater landscape instead of a smooth surface made of aluminum oxide. This effect is more pronounced when aluminum alloys are used, due to alloy additives enclosed in the surface of the aluminum, which hinder the oxidation process.
Dies ist in Figur 4 vergrößert dargestellt. Die Spannungsfestigkeit der Eloxalschicht 3b ist im Normalfall trotzdem gewährleistet, da Versuche gezeigt haben, daß die verbleibende Dicke der Eloxalschicht 3b zwischen den Kratertälein noch groß genug ist.This is shown enlarged in Figure 4. The dielectric strength of the anodized layer 3b is normally guaranteed anyway, since tests have shown that the remaining thickness of the anodized layer 3b between the crater valleys is still large enough.
Werden jedoch beispielsweise bei Zündsteuergeräten erhöhte Zündspannungen verlangt, so muß auch die Spannungsfestigkeit der Leistungsbaugruppe erhöht werden.However, if increased ignition voltages are required, for example in ignition control units, the dielectric strength of the power module must also be increased.
Dies wird dadurch erreicht, daß die Eloxalschicht 3b zusätzlich mit einer Teflonschicht <£ überzogen wird, die gerade so dickThis is achieved by additionally coating the anodized layer 3b with a Teflon layer <£ which is just thick enough
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ist, daß sie die beim Oxidieren entstandenen Krater auffüllt. Die Oberfläche der Eloxalschicht 3d wird so geglättet, C4SmIt die isolierende Schicht dicker gemacht und die Spannungsfestigkeit erhöht.is that it fills the craters created during oxidation. The surface of the anodized layer 3d is thus smoothed, the insulating layer is made thicker and the dielectric strength is increased.
Der besondere Vorteil dabei ist, daß die Teflonschicht 6 besonders billig herzustellen 1st. Die schlechte Wärmeleitfähigkeit von Teflon kommt dabei nicht zum Tragen, da die Teflonschicht sehr dünn ist. Die gesamte Isolierschicht beispielsweise ausThe particular advantage here is that the Teflon layer 6 is particularly cheap to produce. The poor thermal conductivity of Teflon is not an issue here, as the Teflon layer is very thin. The entire insulating layer, for example, made of
IG Tpflnn auszuführen wäre zwar linctepmäßin sehr günstig; i?t &bgr;£>&bgr;?It would be very convenient to carry out IG Tpflnn linctepmäßin ; i?t &bgr;£>&bgr; ?
wecsn der erforderlichen Abfuhr der Verlustwärme des Leistungsbauelements nicht möglich.due to the required dissipation of the waste heat of the power component, this is not possible.
Statt Teflon kann auch ein anderer Kunststoff oder ein Lack verwendet werden. Wichtig dabei ist, daß die Schicht möglichst dünn ist, um dpn Wärmeübergang nicht zu verschlechtern.Instead of Teflon, another plastic or a varnish can be used. It is important that the layer is as thin as possible so as not to impair the heat transfer.
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