EP3607581A1 - Zweiseitig gekühlter schaltkreis - Google Patents

Zweiseitig gekühlter schaltkreis

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EP3607581A1
EP3607581A1 EP18715007.3A EP18715007A EP3607581A1 EP 3607581 A1 EP3607581 A1 EP 3607581A1 EP 18715007 A EP18715007 A EP 18715007A EP 3607581 A1 EP3607581 A1 EP 3607581A1
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EP
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ceramic
substrate
circuit
component
current
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Withdrawn
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EP18715007.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Dilsch
Harald KREß
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Ceramtec GmbH
Original Assignee
Ceramtec GmbH
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a component consisting of a first ceramic substrate, a ceramic fin cooler or a ceramic liquid-cooled radiator or a ceramic heat sink (air or liquid cooled) with a top and bottom, wherein on the top of a metallization is applied to the on a Connecting means a circuit of a semiconductor material is mounted with its bottom.
  • ceramic substrates of Al 2 O 3 , AIN or Si 3 N 4 carry at least one-sided metallization (DCB-Cu, thick-film Cu, Ag, W-Ni-Au), on which in turn fixed by pressure, solder , sintered silver, silver glue or similar a circuit is mounted.
  • DCB-Cu thick-film Cu, Ag, W-Ni-Au
  • a heat sink made of aluminum or similar. glued or soldered.
  • the circuits are so maximum connected on one side with an electrically insulating heat sink.
  • the upper free side of the circuit is at most gas cooled.
  • Under a circuit is generally understood a chip or a transistor.
  • the invention has for its object to improve a component according to the preamble of claim 1 so that the circuit on both sides, i. cooled both on its bottom and on its top.
  • the double-sided cooling of the circuits by elements with high thermal conductivity and simultaneously high electrical conductivity to increase the efficiency of the assembly. Furthermore, it should be ensured that the component retains its full functionality when heated or in total with temperature changes and does not fail.
  • this object is achieved by a component having the features of claim 1.
  • a connecting means is applied to the a ceramic Power / Wärnn einssubstrrat is applied with its underside and on the upper side of the current / heat conduction substrate via a metallization, a second ceramic substrate, wherein the ceramic current / heat conduction substrate for cooling metal-filled thermal-electrical vias (Vias) contains, wherein in both variants of the cooling the top and bottom of the power / heat conduction substrate (6) are electrically connected together, the circuit is cooled on both sides, that is both on its bottom and on its top.
  • the double-sided cooling of the circuit by elements with high thermal conductivity and simultaneously high electrical conductivity increase the efficiency of the assembly of the circuit.
  • the metal in the vias of the ceramic current / heat conduction substrate rests on both the metallization of the second substrate and on the connecting means, which is located on the circuit.
  • the ceramic of the current / heat conduction substrate has an expansion coefficient which is adapted to the expansion coefficient of the semiconductor material of the circuit.
  • the component retains its full functionality due to heating or total changes in temperature and does not fail.
  • the expansion coefficients of the stom / bathleitsubstrates and the circuit differ by a maximum of 3ppm voneinader.
  • the current / heat conduction substrate is a cuboid or a flat substrate.
  • the circuit is preferably a silicon circuit, SiC circuit, a GaN circuit such as a diode or a transistor.
  • the metallizations are preferably made of DCB-Cu, AMB-CU, thick-film Cu, Ag or W-Ni-Au and / or are sintered with the ceramic substrate metallizations. Sintered metallizations are intimately bonded to the ceramic and thus have excellent heat transfer from the circuit to the ceramic.
  • the connecting means is preferably a solder, sintered silver or thermal adhesive.
  • the plated-through holes are made of Cu or Ag and the substrates of aluminum nitride, aluminum oxide or silicon nitride. These ceramics have a high thermal conductivity.
  • cooling elements such as fins or the like, are arranged on the underside of the first ceramic substrate, or the substrate itself is embodied as a heat-air or liquid-flow-through heat sink.
  • This current / heat conduction substrate contains metal-filled thermal-electrical vias filled with, for example, Cu or Ag. If one chooses aluminum nitride as a substrate material, its coefficient of expansion of about 4, 7 ppm / K is close to the silicon of the chip
  • connection of these Viakeramik can be done both on the side of the circuit as well as on the other side of the metallized ceramic substrate via solder, silver paste or silver sintered layer to a second ceramic substrate or directly when burning the copper paste with the copper layer of the metallized connect the upper substrate.
  • liquid-flowed ceramic coolers or those with ceramic fins instead of the ceramic current / heat-conducting substrates.
  • FIG. 1 shows a component 9 consisting of a first ceramic substrate 1 with an upper 1b and lower side 1a, wherein a metallization 2 is applied to the upper side 1b, on which a connection means 3 a circuit 4 of a semiconductor material with its Bottom is mounted.
  • FIG. 2 shows a component 9 according to the prior art. The component consists of a first ceramic substrate 1 with a top 1 b and bottom 1 a, wherein on the top 1 b, a metallization 2 is applied, on which a connection means 3, a circuit 4 is mounted with its bottom.
  • a ceramic current / heat conduction substrate 6 is applied with its underside via a connection means 5 and a second ceramic substrate 8 is arranged on the current / heat conduction substrate 6 via a metallization 7, wherein the ceramic current / heat conduction substrate Contains 6 metal-filled thermal-electrical vias 1 1 and / or cooling channels to guide a coolant.
  • the ceramic substrates 1, 8 are preferably plate-shaped and consist of aluminum oxide, silicon nitride or preferably aluminum nitride, which has a very high thermal conductivity.
  • the metallizations are preferably made of DCB-Cu AMB-CU, thick-film Cu, Ag or W-Ni-Au and / or are sintered with the ceramic substrate 1, 8.
  • the circuit 4 is a diode or a transistor in the illustrated embodiment. ,
  • the connecting means 3, 5 are preferably solder, sintered silver or silver glue.
  • the plated-through holes 11 are made, for example, of Cu or Ag.
  • cooling elements are preferably arranged, not shown in Figure 2.
  • the cooling elements 1 and 8 may contain fins for air cooling. But it can also be fluid cooling boxes.
  • the ceramic current / heat conduction substrate 6 serves to dissipate the waste heat of the circuit 4 in the ceramic substrate 8 and on the other hand can also be used for electrical coupling of the circuit 4 to the metallization 7.
  • the current / heat conduction substrate 6 is also made of aluminum oxide, silicon nitride or preferably aluminum nitride. Through its metal-filled thermal-electrical vias (Vias) 1 1, the waste heat is transported and made an electrical connection.
  • the plated-through holes (vias) 1 1 extend at right angles to the surface of the current / heat conduction substrate 6.
  • the reference numeral 10 electrical connections are marked.
  • FIG. 3 shows that a further layer of the metallization 7 can be applied between the connection means 5 and the ceramic current / heat conduction substrate 6. This is preferably connected to the metallization layer 7, which is arranged between the current / heat conduction substrate 6 and a second ceramic substrate 8, via the metal-filled thermal-electrical vias in material connection.

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil (9) bestehend aus einem ersten keramischen Substrat (1), einem keramischen Finnenkühler oder einem keramischen flüssigkeitsdurchströmten Kühler mit einer Ober- (1b) und Unterseite (1a), wobei auf der Oberseite (1b) eine Metallisierung (2) aufgebracht ist, auf der über ein Verbindungsmittel (3) ein Schaltkreis (4) mit seiner Unterseite montiert ist. Damit der Schaltkreis (4) des Bauteils (9) durch Elemente mit hoher Wärmeleitfähigkeit und gleichzeitiger hoher elektrischer Leitfähigkeit beidseitig gekühlt wird und damit die Effizienz der Baugruppe gesteigert wird, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass auf der Oberseite des Schaltkreises (4) ein Verbindungsmittel (5) aufgebracht ist, auf dem ein keramisches Strom/Wärmeleitungssubstrat (6) mit seiner Unterseite aufgebracht ist und auf der Oberseite des Strom/Wärmeleitungssubstrats (6) über eine Metallisierung (7) ein zweites keramisches Substrat (8) angeordnet ist, wobei das keramische Strom/Wärmeleitungssubstrat (8) zur Kühlung metallgefüllte thermisch-elektrische Durchkontaktierungen (Vias) (11) und/oder Kühlkanäle zur Führung eines Kühlmittels enthält, wobei in beiden Varianten der Kühlung die Oberseite und die Unterseite des Strom/Wärmeleitungssubstrats (6) elektrisch miteinander verbunden sind.

Description

Zweiseitig gekühlter Schaltkreis
Die Erfindung betrifft ein Bauteil bestehend aus einem ersten keramischen Substrat, einem keramischen Finnenkühler oder einem keramischen flüssigkeitsdurchströmten Kühler oder einem keramischen Kühlkörper (luft- oder flüssigkeitsgekühlt) mit einer Ober- und Unterseite, wobei auf der Oberseite eine Metallisierung aufgebracht ist, auf der über ein Verbindungsmittel ein Schaltkreis aus einem Halbleitermaterial mit seiner Unterseite montiert ist.
Es ist bekannt, dass keramische Substrate aus Al203, AIN oder Si3N4 eine mindestens einseitige Metallisierung (DCB-Cu, Dickfilm-Cu, Ag, W-Ni-Au) tragen, auf der wiederum fixiert durch Druck, Lot, gesintertes Silber, Silberkleber o.ä. ein Schaltkreis montiert ist.
Auf der zweiten Seite des Substrats können weitere Metallisierungsflächen vorhanden sein, auf die beispielsweise ein Kühlkörper aus Aluminium o.ä. geklebt oder gelötet ist. Die Schaltkreise sind also maximal einseitig mit einer elektrisch isolierenden Wärmesenke verbunden. Die obere freie Seite des Schaltkreises wird höchstens gasgekühlt. Unter einem Schaltkreis wird ganz allgemein auch ein Chip oder ein Transistor verstanden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu verbessern, dass der Schaltkreis beidseitig, d.h. sowohl auf seiner Unter- als auch auf seiner Oberseite gekühlt wird. Die doppelseitige Kühlung der Schaltkreise durch Elemente mit hoher Wärmeleitfähigkeit und gleichzeitiger hoher elektrischer Leitfähigkeit soll die Effizienz der Baugruppe steigern. Weiterhin soll sichergestellt sein, dass das Bauteil bei Erwärmung oder insgesamt bei Temperaturänderungen seine volle Funktionsfähigkeit behält und nicht ausfällt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass auf der Oberseite des Schaltkreises ein Verbindungsmittel aufgebracht ist auf dem ein keramisches Strom/Wärnneleitungssubstrat mit seiner Unterseite aufgebracht ist und auf der Oberseite des Strom/Wärmeleitungssubstrats über eine Metallisierung ein zweites keramisches Substrat angeordnet ist, wobei das keramische Strom/Wärmeleitungssubstrat zur Kühlung metallgefüllte thermisch-elektrische Durchkontaktierungen (Vias) enthält, wobei in beiden Varianten der Kühlung die Oberseite und die Unterseite des Strom/Wärmeleitungssubstrats (6) elektrisch miteinander verbunden sind, wird der Schaltkreis beidseitig, d.h. sowohl auf seiner Unter- als auch auf seiner Oberseite gekühlt. Die doppelseitige Kühlung des Schaltkreises durch Elemente mit hoher Wärmeleitfähigkeit und gleichzeitiger hoher elektrischer Leitfähigkeit steigern die Effizienz der Baugruppe des Schaltkreises.
Das Metall in den Vias des keramischen Strom/Wärmeleitungssubstrats liegt dabei sowohl auf der Metallisierung des zweiten Substrats als auch auf dem Verbindungsmittel auf, welches sich auf dem Schaltkreis befindet.
Bevorzugt weist die Keramik des Strom/Wärmeleitungssubstrats einen Ausdehnungskoeffizienten auf, der an den Ausdehnungskoeffizienten des Halbleitermaterials des Schaltkreises angepasst ist. Das Bauteil behält hierdurch bei Erwärmung oder insgesamt bei Temperaturänderungen seine volle Funktionsfähigkeit und fällt nicht aus.
Die Ausdehnungskoeffizienten des Stom/Wärmeleitsubstrates und des Schaltkreises weichen um maximal 3ppm voneinader ab. Bevorzugt ist das Strom/Wärmeleitungssubstrat ein Quader oder ein Flachsubstrat.
Der Schaltkreis ist bevorzugt ein Silizium-Schaltkreis, SiC-Schaltkreis, ein GaN- Schaltkreis, wie beispielsweise eine Diode oder ein Transistor.
Die Metallisierungen bestehen bevorzugt aus DCB-Cu, AMB-CU, Dickfilm-Cu, Ag oder W-Ni-Au und/oder sind mit dem keramischen Substrat versinterte Metallisierungen. Versinterte Metallisierungen sind innig mit der Keramik verbunden und haben dadurch einen exzellenten Wärmetransport vom Schaltkreis in die Keramik. Das Verbindungsmittel ist bevorzugt ein Lot, gesintertes Silber oder Wärmeleitkleber.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform bestehen die Durchkontaktierungen aus Cu oder Ag und die Substrate aus Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid oder Siliziumnitrid. Diese Keramiken haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit.
Auf der Unterseite des ersten keramischen Substrats sind in einer Ausführungsform Kühlelemente, wie Finnen oder ähnliches angeordnet, oder das Substrat selbst ist als Kühlkörper -luft- oder flüssigkeitsdurchströmt ausgeführt.
Mit Hilfe des keramischen Strom/Wärmeleitungssubstrats mit metallgefüllten Vias welches die freie Oberseite des Schaltkreises über das Verbindungsmitttel berührt kann eine bessere doppelseitige Wärmeabfuhr erfolgen. Dieses Strom/Wärmeleitungssubstrat enthält metallgefüllte thermisch-elektrische Durchkontaktierungen (Vias), gefüllt mit beispielsweise Cu oder Ag. Wählt man Aluminiumnitrid als Substratwerkstoff, ist dessen Ausdehnungskoeffizient von ca. 4, 7 ppm/K nahe am Silicium des Chips
Die Anbindung dieser Viakeramik (Strom/Wärmeleitungssubstrat) kann sowohl auf der Seite des Schaltkreises wie auch auf der anderen Seite des metallisierten keramischen Substrats über Lot, Silberpaste oder Silbersinterschicht an ein zweites keramisches Substrat erfolgen oder aber beim Einbrennen der Kupferpaste direkt mit der Kupferschicht des metallisierten oberen Substrates verbinden.
Zur weiteren Erhöhung der Wärmeableitung können anstelle der keramischen Strom/Wärmeleitungssubstrate auch flüssigkeitsdurchströmte keramische Kühler oder solche mit keramischen Finnen verwendet werden.
Die Figuren zeigen den Stand der Technik (Figur 1 ) und ein erfindungsgemäßes Bauteil (Figur 2) sowie beispielhaft ein weiteres erfindungsgemäßes Bauteil mit einer zusätzlichen Schicht der Metallisierung 7 (Figur 3). Figur 1 zeigt ein Bauteil 9 bestehend aus einem ersten keramischen Substrat 1 mit einer Ober- 1 b und Unterseite 1 a, wobei auf der Oberseite 1 b eine Metallisierung 2 aufgebracht ist, auf der über ein Verbindungsmittel 3 ein Schaltkreis 4 aus einem Halbleitermaterial mit seiner Unterseite montiert ist. Figur 2 zeigt ein Bauteil 9 nach dem Stand der Technik. Das Bauteil besteht aus einem ersten keramischen Substrat 1 mit einer Ober- 1 b und Unterseite 1 a, wobei auf der Oberseite 1 b eine Metallisierung 2 aufgebracht ist, auf der über ein Verbindungsmittel 3 ein Schaltkreis 4 mit seiner Unterseite montiert ist. Auf dem Schaltkreis 4 bzw. auf seiner Oberseite ist erfindungsgemäß über ein Verbindungsmittel 5 ein keramisches Strom/Wärmeleitungssubstrat 6 mit seiner Unterseite aufgebracht und ist auf dem Strom/Wärmeleitungssubstrat 6 über eine Metallisierung 7 ein zweites keramisches Substrat 8 angeordnet, wobei das keramische Strom/Wärmeleitungssubstrat 6 metallgefüllte thermisch-elektrische Durchkontaktierungen (Vias) 1 1 und/oder Kühlkanäle zur Führung eines Kühlmittels enthält.
Die keramischen Substrate 1 , 8 sind bevorzugt plattenförmig ausgebildet und bestehen aus Aluminiumoxid, Siliziumnitrtrid oder bevorzugt aus Aluminiumnitrid, welches eine sehr hohe thermische Leitfähigkeit hat.
Die Metallisierungen bestehen bevorzugt aus DCB-Cu AMB-CU, Dickfilm-Cu, Ag oder W-Ni-Au und/oder sind mit dem keramischen Substrat 1 , 8 versintert.
Der Schaltkreis 4 ist in der gezeigten Ausführungsform eine Diode oder ein Transistor. .
Die Verbindungsmittel 3, 5 sind bevorzugt Lot, gesintertes Silber oder Silberkleber.
Die Durchkontaktierungen 1 1 bestehen zum Beispiel aus Cu oder Ag. Auf der Unterseite 1 a des ersten keramischen Substrats 1 sind bevorzugt Kühlelemente angeordnet, in Figur 2 nicht gezeigt. Die Kühlelemente 1 und 8 können zur Luftkühlung Finnen enthalten. Es können aber auch flüssigkeitsführende Kühlboxen sein.
Das keramische Strom/Wärmeleitungssubstrat 6 dient zur Ableitung der Abwärme des Schaltkreises 4 in das keramische Substrat 8 und kann andererseits auch zur elektrischen Ankopplung des Schaltkreises 4 an die Metallisierung 7 genutzt werden. Auch das Strom/Wärmeleitungssubstrat 6 besteht aus Aluminiumoxid, Siliziumnitrid oder bevorzugt aus Aluminiumnitrid. Durch seine metallgefüllten thermisch-elektrischen Durchkontaktierungen (Vias) 1 1 wird die Abwärme transportiert und eine elektrische Verbindung hergestellt. Bevorzugt verlaufen die Durchkontaktierungen (Vias) 1 1 rechtwinklig zur Oberfläche des Strom/Wärmeleitungssubstrats 6.
Mit dem Bezugszeichen 10 sind elektrische Anbindungen gekennzeichnet.
Figur 3 zeigt, dass zwischen dem Verbindungsmittel 5 und den keramischen Strom/Wärmeleitungssubstrat 6 eine weitere Schicht der Metallisierung 7 aufgebracht sein kann. Diese steht bevorzugt mit der Metallisierungsschicht 7, die zwischen dem Strom/Wärmeleitungssubstrat 6 und einem zweiten keramischen Substrat 8 angeordnet ist, über die metallgefüllten thermisch-elektrischen Durchkontaktierungen (Vias) in stofflicher Verbindung.

Claims

Ansprüche
1 . Bauteil (9) bestehend aus einem ersten keramischen Substrat (1 ), einen keramischen Finnenkühler oder einen keramischen flüssigkeitsdurchströmten Kühler mit einer Ober- (1 b) und Unterseite (1 a), wobei auf der Oberseite (1 b) eine Metallisierung (2) aufgebracht ist, auf der über ein Verbindungsmittel (3) ein Schaltkreis (4) aus einem Halbleitermaterial mit seiner Unterseite montiert ist, dadurch gekennzeichnet, a. dass auf der Oberseite des Schaltkreises (4) ein Verbindungsmittel (5) aufgebracht ist auf dem ein keramisches Strom/Wärmeleitungssubstrat (6) mit seiner Unterseite aufgebracht ist und auf der Oberseite des Strom/Wärmeleitungssubstrats (6) über eine Metallisierung (7) ein zweites keramisches Substrat, ein keramischen Finnenkühler oder ein keramischer flüssigkeitsdurchströmter Kühler (8) angeordnet ist, b. wobei das keramische Strom/Wärmeleitungssubstrat (8) zur Kühlung des Halbleiters metallgefüllte thermisch-elektrische Durchkontaktierungen (Vias) (1 1 ) enthält, c. wobei in beiden Varianten der Kühlung die Oberseite und die Unterseite des Strom/Wärmeleitungssubstrats (6) elektrisch miteinander verbunden sind.
2. Bauteil (9) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik des Strom/Wärmeleitungssubstrats (6) einen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der an den Ausdehnungskoeffizienten des Halbleitermaterials des Schaltkreises (4) angepasst ist.
3. Bauteil (9) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausdehnungskoeffizient des Strom/Wärmeleitungssubstrats (6) maximal 3 ppm/K vom Ausdehnungskoeffizienten des Halbleitermaterials des Schaltkreises (4) abweicht. (Bauteil (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strom/Wärmeleitungssubstrat (6) ein Quader oder ein Flachsubstrat ist.
4. Bauteil (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkreis (4) ein Silizium-Schaltkreis, SiC-Schaltkreis, ein GaN- Schaltkreis, beispielsweise einee Diode oder ein Transistor ist.
5. Bauteil (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass alle Metallisierungen (2, 7) aus DCB-Cu, AMB-Cu, Dickfilm-Cu, Ag oder W-Ni- Au bestehen und/oder mit dem keramischen Substrat (1 , 8) versinterte Metallisierungen sind.
6. Bauteil (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (3, 5) Lot, gesintertes Silber oder Silberkleber sind.
7. Bauteil (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchkontaktierungen (1 1 ) aus Cu oder Ag und die Substrate (1 , 8) aus Aluminiumnitrid bestehen.
8. Bauteil (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Unterseite (1 a) des ersten keramischen Substrats (1 ) Kühlelemente angeordnet sind.
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