EP1639640A1 - Verbindung zwischen halbleitergehäuse und grundplatte mit durchgangsöffnung für befestigung auf einem kühlkörper - Google Patents

Verbindung zwischen halbleitergehäuse und grundplatte mit durchgangsöffnung für befestigung auf einem kühlkörper

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Publication number
EP1639640A1
EP1639640A1 EP04739298A EP04739298A EP1639640A1 EP 1639640 A1 EP1639640 A1 EP 1639640A1 EP 04739298 A EP04739298 A EP 04739298A EP 04739298 A EP04739298 A EP 04739298A EP 1639640 A1 EP1639640 A1 EP 1639640A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
connection
base plate
housing
semiconductor module
heat sink
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04739298A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Lenniger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
EUPEC GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG, EUPEC GmbH filed Critical Infineon Technologies AG
Publication of EP1639640A1 publication Critical patent/EP1639640A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/60—Securing means for detachable heating or cooling arrangements, e.g. clamps
    • H10W40/641—Snap-on arrangements, e.g. clips

Definitions

  • Power semiconductor modules and relates to a semiconductor module with a housing and with a metallic base plate.
  • one or more power semiconductor chips are usually arranged on a substrate and contacted on the back.
  • the underside of the substrate is copper-clad and functions as a heat dissipation contact surface in order to be able to dissipate any power losses that occur in the form of heat during operation of the semiconductor components.
  • it is equipped with areally connected by soldering.
  • This arrangement is surrounded by a frame or (plastic) module housing and can e.g. be pressed onto a heat sink by means of screw connections.
  • the generalized term housing is to be understood in the following as meaning both a frame, which can also be part of a multi-part housing, and a module housing.
  • the object is achieved in particular by a semiconductor module with a housing and with a metallic base plate in that a mechanically pressure-resistant counterpart is incorporated into the housing, which forms a fixed connection with a pressure-resistant connecting element on the base plate side, and in that the connection is a through opening for fastening the Has semiconductor module on a heat sink.
  • an essential aspect of the invention is that the elements used for the connection (counterpart in the housing and base plate-side connection element) are made of mechanically pressure-resistant, preferably metallic material and therefore also absorb the forces generated by the continuous screw connection and can introduce them into the housing without significant material deformation or material flow.
  • a preferred embodiment of the semiconductor module according to the invention provides that the base element-side connection element is a rivet element and forms a rivet connection with the counterpart. Rivet connections are easy to handle in terms of production technology and are inexpensive.
  • Another embodiment of the semiconductor module according to the invention that is preferred in terms of production engineering provides that the rivet element is formed as an integral component from the base plate material. This can be done particularly advantageously immediately when the base plate is punched out.
  • an advantageous development of the invention provides that the counterpart has form-locking elements, in particular knurling, in its peripheral region. As a result, a firm fit of the counterpart is ensured in a particularly simple manner, the counterpart advantageously being able to be injected directly into a housing produced by the injection molding process.
  • Figure 2 shows the detail of Figure 1 after forming a riveted joint.
  • the semiconductor module shown enlarged in a side view in FIG. 1 is a known arrangement with a large number of individual power semiconductors, not shown, each of which is electrically conductively connected to a conductive layer of a substrate by its rear side.
  • the substrate and semiconductor components are surrounded by a frame 1, which is part of a plastic housing 2.
  • the housing 2 is screwed to a cooling element (not shown) or a heat sink by means of screw connections in order to dissipate heat loss that occurs during operation from the substrate via a base plate 3 to the heat sink.
  • a mechanically pressure-resistant counterpart 4 is embedded, which has been injected with the manufacture of the housing s 2 made of plastic.
  • the counterpart like the base plate 3, is preferably made of metal and has 5 form-locking elements 6 in the form of a knurling in its peripheral region. Through this, the counterpart is particularly firmly anchored in the housing 2.
  • the base plate 3 has a mechanical pressure and tensile strength
  • Connection learning t 10 on This is designed as a pull-through and dimensioned so that it pulls through the counterpart sufficiently to establish a firm connection.
  • This connection could basically be formed by the fact that a screw nut which is firmly supported on the counterpart is screwed onto a corresponding external thread on the jacket of the passage 10. It is also conceivable to provide a firm non-positive or material connection between the counterpart and the passage.
  • the connection has a through opening 12 for the (screw) fastening of the semiconductor module on a heat sink.
  • connection is designed as a fixed rivet connection 14, as shown in FIG.
  • the base plate-side connecting element 10 is designed as a rivet element 15, which is formed as an integral part from the base plate material.
  • the rivet element forms, with the counterpart 4 designed as a pressure piece, the rivet connection 14.
  • the rivet punch 16 used for producing the rivet connection is shown in FIG of the counterpart 4 has pressed.
  • this embodiment has the essential advantage that the underside 18 of the base plate remains completely unaffected by the riveting process and remains undeformed and thus, as desired, flat. This has a favorable effect on the heat transfer to the cooling element.

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

Das Halbleitermodul weist ein Gehäuse (2) und eine metallische Grundplatte (3) auf. Um eine zuverlässige und dennoch einfach herstellbare krafteinleitende Verbindung zwischen dem Halbleitermodul und einem externen Kühlkörper zu gewährleisten, ist in das Gehäuse (2) ein mechanisch druckfestes Gegenstück (4) eingearbeitet, das mit einem grundplattenseitigen druckfesten Verbindungselement (10) eine feste Verbindung (14) bildet. Die Verbindung weist eine Durchgangsöffnung (12) für eine Befestigung des Halbleitermoduls auf dem Kühlkörper auf.

Description

VERBINDUNG ZWISCHEN HALBLEITERGEHÄUSE UND GRUNDPLATTE MIT DURCHGANGSÖFFNUNG FÜR BEFESTIGUNG AUF EINEM KÜHLKÖRPER
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Konstruktion von
Leistungs-Halbleitermodulen und betrifft ein Halbleitermodul mit einem Gehäuse und mit einer metallischen Grundplatte.
Bei diesem an sich bekannten (DE 197 21 061 AI) und bewährten Aufbau von Halbleitermodulen sind üblicherweise ein oder mehrere Leistungshalbleiterchips auf einem Substrat angeordnet und rückseitig kontaktiert. Die Substratunterseite ist kupferkaschiert und fungiert als Wärmeableitkontaktfläche, um beim Betrieb der Halbleiterbauelemente in Form von Wärme auftreten- de Verlustleistungen abführen zu können. Sie ist dazu mit einer Grundplatte z.B. durch Lötung flächig verbunden.
Diese Anordnung ist von einem Rahmen oder (Kunststoff-) Modul- gehäuse umgeben und kann z.B. mittels Schraubverbindungen auf einen Kühlkörper gepresst sein. Unter dem verallgemeinernden Begriff Gehäuse sind nachfolgend sowohl ein Rahmen, der auch Teil eines mehrteiligen Gehäuses sein kann, als auch ein Modulgehäuse zu verstehen. Zur optimalen Wärmeabfuhr ist ein planer, vollständiger Flächenkontakt zwischen Grundplattenun- terseite und einem z.B. durch konvektive Luftströmung wärmeabführenden Kühlelement oder Kühlkörper erwünscht.
Zur Aufrechterhaltung eines ausreichenden Flächenkontakts sind jedoch signifikante Anpresskräfte erforderlich, die der Modul- anwender bzw. Endkunde üblicherweise durch Schraub erbindungen realisiert. Die Anpresskräfte wirken dabei über das und somit auch auf das Gehäuse ein. Je nach verwendetem Gehäusematerial neigt dieses langfristig zu Materialverformungen durch sogenanntes Fließen. Mit anderen Worten: Die Gehäuseform ist im Bereich der Verbindungen bzw. Krafteinbringung nicht langzeit- stabil, so dass sich die Verbindungen lockern und damit die Anpresskräfte unerwünscht vermindern. Dies ist insbesondere bei der verbreiteten Verwendung von Kunststoffgehäusen problematisch.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung ei- nes Halbleitermoduls, das eine auch langfristig zuverlässige und dennoch einfach herstellbare krafterzeugende bzw. kraft- einleitende Verbindung zwischen dem Halbleitermodul und einem externen Kühlkörper erlaubt. Dabei soll diese Verbindung die plane Unterseite der Grundplatte nicht beeinträchtigen, über die die Wärmeableitung zu dem Kühlelement erfolgt.
Diese Aufgabe wird durch ein Halbleitermodul gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Die Aufgabe wird insbesondere durch ein Halbleitermodul mit einem Gehäuse und mit einer metallischen Grundplatte dadurch gelöst, dass in das Gehäuse ein mechanisch druckfestes Gegenstück eingearbeitet ist, das mit einem grundplattenseitigen druckfesten Verbindungselement eine feste Verbindung bildet, und dass die Verbindung eine Durchgangsöffnung für eine Befestigung des Halbleitermoduls auf einem Kühlkörper aufweist.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die zur Verbindung dienenden Elemente (Gegenstück im Gehäuse und grundplattenseitiges Verbindungselement) aus mechanisch druckfestem, vorzugsweise metallischem Material gebildet sind und daher auch die von der durchgehenden Schraubverbindung erzeugten Kräfte aufnehmen und ohne signifikante Materialverformung oder Materialfließen in das Gehäuse einleiten können.
Auch die zur Herstellung der Nietverbindung erforderlichen Montagekräfte wirken auf die druckfesten Teile, so dass auch insoweit keine Gefahr einer Beschädigung des Gehäuses besteht und eine höchstzuverlässige Verbindung zwischen Grundplatte und Gehäuse besteht.
Eine fertigungstechnisch bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbleitermoduls sieht vor, dass das grundplat- tenseitige Verbindungselement ein Nietelement ist und mit dem Gegenstück eine Nietverbindung bildet. Nietverbindungen sind fertigungstechnisch einfach handhabbar und kostengünstig.
Eine weitere fertigungstechnisch bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbleitermoduls sieht vor, dass das Nietelement als integraler Bestandteil aus dem Grundplattenmaterial ausgeformt ist. Dies kann besonders vorteilhaft unmittelbar beim Ausstanzen der Grundplatte erfolgen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Gegenstück in seinem Umfangsbereich Formschlusselemente, insbesondere eine Rändelung, aufweist. Dadurch ist besonders einfach ein fester Sitz des Gegenstücks gewährleistet, wobei vorteilhafterweise das Gegenstück bei einem im Spritzgussverfahren hergestellten Gehäuse unmittelbar mit eingespritzt werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt: Figur 1 einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Halbleitermodul im Längsschnitt vor der Montage und
Figur 2 den Ausschnitt nach Figur 1 nach Bildung einer Nietverbindung .
Bei dem in Figur 1 in Seitenansicht vergrößert dargestellten Halbleitermodul handelt es sich um eine an sich bekannte An- Ordnung mit einer Vielzahl einzelner - nicht näher dargestellter - Leistungshalbleiter, die jeweils mit ihrer Rückseite mit einer leitenden Schicht eines Substrats elektrisch leitend verbunden sind.
Substrat und Halbleiterbauelemente sind von einem Rahmen 1, der Teil eines Kunststoffgehäuses 2 ist, umgeben. Das Gehäuse 2 wird mittels Schraubverbindungen mit einem (nicht dargestellten) Kühlelement oder Kühlkörper verschraubt, um beim Betrieb entstehende Verlustwärme von dem Substrat über eine Grundplatte 3 an den Kühlkörper abzuleiten.
In den Rahmen 1 bzw. das Gehäuse 2 ist ein mechanisch druckfestes Gegenstück 4 eingebettet, das bei der Herstellung des aus Kunststoff gebildeten Gehäuse s 2 mit eingespritzt worden ist. Das Gegenstück besteht wie die Grundplatte 3 bevorzugt aus Metall und weist in ihrem Umfangsbereich 5 Formschlusselemente 6 in Form einer Rändelung auf. Durch diese ist das Gegenstück besonders fest in dem Gehäuse 2 verankert.
Die Grundplatte 3 weist ein mechanisch druck- und zugfestes
Verbindungselerne t 10 auf. Dieses ist als Durchzug ausgestaltet und so bemessen, dass es das Gegenstück zur Herstellung einer festen Verbindung ausreichend weit durchzieht. Diese Verbindung könnte grundsätzlich dadurch gebildet sein, dass auf ein entsprechendes Außengewinde am Mantel des Durchzugs 10 eine sich am Gegenstück fest abstützende Schraubenmutter aufgeschraubt ist. Es ist auch denkbar, eine feste kraftschlüssige oder stoffschlüssige Verbindung zwischen Gegenstück und Durchzug vorzusehen. Die Verbindung weist eine Durchgangsöffnung 12 für die (Schraub-) Befestigung des Halbleitermoduls auf einem Kühlkörper auf.
Fertigungstechnisch bevorzugt ist die Verbindung wie in Figur 2 dargestellt als feste Nietverbindung 14 ausgestaltet. Dazu ist das grundplattenseitige Verbindungselement 10 als Nietelement 15 gestaltet, das als integraler Bestandteil aus dem Grundplattenmaterial ausgeformt ist . Das Nietelement bildet mit dem als Druckstück ausgebildeten Gegenstück 4 die Nietver- bindung 14. Andeutungsweise ist in Figur 2 der zur Nietverbindungsherstellung verwendete Nietstempel 16 dargestellt, der bei seiner Bewegung in Richtung des Pfeils 17 den oberen Bereich des Durchzugs 10 verformt und konisch an die Innenseite des Gegenstücks 4 angepresst hat. Diese Ausgestaltung hat ne- ben einer einfachen und kostengünstiger Herstellbarkeit den wesentlichen Vorteil, dass die Unterseite 18 der Grundplatte vom Nietvorgang völlig unbeeinträchtigt und unverformt und damit erwünscht plan bleibt. Dies wirkt sich günstig auf den Wärmeübergang zum Kühlelement aus.
Bezugszeichenliste :
1 Rahmen
2 Gehäuse 3 Grundplatte
4 Gegenstück
5 Umfangsbereich
6 Formschlusselemente 10 Verbindungselement 12 Durchgangsöffnung
14 Nietverbindung
15 Nietelement
16 Nietstempel
17 Pfeil 18 Unterseite

Claims

Patentansprüche
1. Halbleitermodul mit einem Gehäuse (2) und mit einer me- tallischen Grundplatte (3) , wobei in das Gehäuse (2) ein mechanisch druckfestes Gegenstück (4) eingearbeitet ist, das mit einem grundplattenseiti- gen druckfesten Verbindungselernent (10) eine feste Verbindung (14) bildet, und wobei die Verbindung eine Durchgangsöffnung (12) für eine Befestigung des Halbleitermoduls auf einem Kühlkörper aufweist .
2. Halbleitermodul nach Anspruch 1, wobei das grundplatten- seitige Verbindungselement (10) ein Nietelement (15) ist und mit dem Gegenstück (4) eine Nietverbindung (14) bildet.
3. Halbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verbindungselement (10) als integraler Bestandteil aus dem Grund- plattenmaterial ausgeformt ist.
4. Halbleitermodul nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Gegenstück (4) in seinem Umfangsbereich (5) Formschlusselemente (6), insbesondere eine Rändelung, aufweist.
EP04739298A 2003-06-27 2004-05-21 Verbindung zwischen halbleitergehäuse und grundplatte mit durchgangsöffnung für befestigung auf einem kühlkörper Withdrawn EP1639640A1 (de)

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