WO1998028790A1 - Montageanordnung eines halbleiterbauelements auf einer leiterplatte - Google Patents

Montageanordnung eines halbleiterbauelements auf einer leiterplatte Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a mounting arrangement of a semiconductor component on a printed circuit board, the printed circuit board being fastened to a carrier and wherein at least one plated-through hole is arranged in the printed circuit board in the region of the contact surface of the semiconductor component to form a heat-conducting connection between the semiconductor component and the carrier.
  • Such a mounting arrangement can be seen, for example, from DE 41 07 312 AI.
  • Such a mounting arrangement makes it possible to dissipate the heat loss of the semiconductor component via the heat-conducting connection arranged in the region of its support surface and provided with at least one through-contacting of the printed circuit board, to the underlying carrier, from which it is absorbed very quickly.
  • the through-plating only represents a small additional outlay, no additional or special manufacturing steps being necessary, since such through-plating is also required for the line connection between the contact structures on both sides of the printed circuit board or between different line levels of multilayer printed circuit boards.
  • Such a mounting arrangement lowers the thermal resistance of the printed circuit board due to the very good heat dissipation, so that effective continuous cooling of the semiconductor component is ensured.
  • the invention is therefore based on the object of improving a mounting arrangement of a semiconductor component on a printed circuit board of the generic type in such a way that even with a brief, pulsed warming-up of the semiconductor component, the resulting heat can be safely transported away and thereby any damage to the semiconductor component that occurs as a result of heating can be avoided.
  • the invention is achieved according to the invention in a mounting arrangement of a semiconductor component on a printed circuit board of the type described in the introduction in that a heat-conducting layer serving as a heat sink is arranged between the printed circuit board and the semiconductor component in the area of its contact surface and is attached to the printed circuit board by means of an electrically insulating connecting layer .
  • the arrangement of the heat-conducting layer serving as a heat sink between the printed circuit board and the semiconductor component in the region of its contact surface has the great advantage that short-term heat pulses occurring in the semiconductor component, i.e. a brief warm-up of the semiconductor component, distributed in the heat-conducting layer, taken up by the latter and discharged via the plated-through holes to the carrier. In this way it can be very effectively avoided that the semiconductor component is destroyed by a brief pulse heating.
  • the arrangement of the heat-conducting layer therefore has the very great advantage that short-term dynamic, pulsed heating of the semiconductor component is carried away very effectively by the latter.
  • the thickness of the heat-conducting layer is adapted to the time course of the thermal resistance (Z th ) when the semiconductor component is subjected to a pulse.
  • heat-conducting layer In principle, a wide variety of heat-conducting materials can be used for the heat-conducting layer.
  • the heat-conducting layer is a metal layer, preferably a copper layer.
  • the electrically insulating connection layer is an at least partially formed adhesive layer.
  • the electrically insulating connection layer is an at least partially formed laminate layer.
  • An advantageous exemplary embodiment provides that the semiconductor component is fastened on the heat-conducting layer by means of a solder connection.
  • a wide variety of embodiments are also conceivable with regard to the fastening of the printed circuit board to the carrier.
  • An advantageous embodiment provides that the circuit board is glued to the carrier by means of an adhesive.
  • circuit board is pressed with the carrier using a resin-impregnated glass fiber mat.
  • the carrier itself can be designed in a wide variety of ways and consist of a wide variety of materials. It has proven to be advantageous that the carrier is a metal plate, preferably an aluminum plate. On the one hand, an aluminum plate enables good heat dissipation, on the other hand, it advantageously has a low weight.
  • An exemplary embodiment of a mounting arrangement of a semiconductor component 4 on a printed circuit board 2, shown in the figure, comprises a carrier 8 consisting, for example, of an aluminum plate, on which the printed circuit board 2 is fastened via an adhesive layer 7.
  • a carrier 8 consisting, for example, of an aluminum plate, on which the printed circuit board 2 is fastened via an adhesive layer 7.
  • an electrically conductive layer 3 serving as a heat sink, for example in the form of a thin copper layer, is attached to the printed circuit board 2 by means of an electrically insulating connection 1.
  • the semiconductor component 4 itself is fastened on the electrically conductive layer 3 by means of a solder layer 5.
  • Through contacts 6 are provided in the printed circuit board 2 in the area of the contact surface of the semiconductor component 4 and thus also in the area of the heat-conducting layer 3 of the copper plate, in order to enable heat conduction from the semiconductor component 4 via the heat-conducting layer 3 to the carrier 8.
  • the thickness of the heat-conducting layer 3 is adapted experimentally and / or computationally to the time profile of the thermal resistance Z th when the semiconductor component 4 is subjected to a pulse.
  • the semiconductor component 4 is briefly thermally stressed and in the process is determined by calculation and / or experiment which thickness of the heat-conducting layer 3 is necessary in order to distribute the heat generated in the semiconductor component 4 in a pulsed manner and to effectively dissipate this heat pulse via the plated-through holes 6 on the Allow carrier 8.
  • the insulating connection layer 1 is an at least partially formed adhesive layer. But it is possible also to provide an at least partially formed laminate layer.
  • the circuit board 2 itself is fastened on the carrier 8 by means of an adhesive connection 7.
  • the circuit board can also be pressed with the metallic carrier using a resin-impregnated glass fiber mat.

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Abstract

Um eine Montageanordnung eines Halbleiterbauelements auf einer Leiterplatte, wobei die Leiterplatte auf einem Träger befestigt ist und wobei im Bereich der Auflagefläche des Halbleiterbauelements wenigstens eine Durchkontaktierung in der Leiterplatte zur Ausbildung einer wärmeleitenden Verbindung zwischen dem Halbleiterelement und dem Träger angeordnet ist, dahingehend zu verbessern, daß auch bei einer kurzzeitigen, impulsförmigen Aufwärmung des Halbleiterbauelements ein sicherer Abtransport der dabei entstehenden Wärme ermöglicht wird, wird vorgeschlagen, daß zwischen der Leiterplatte und dem Halbleiterbauelement im Bereich dessen Auflagefläche eine als Wärmesenke dienende wärmeleitende Schicht angeordnet ist, die auf der Leiterplatte mittels einer elektrisch isolierenden Verbindungsschicht befestigt ist.

Description

ontageanordnunq eines Halbleiterbauelements auf einer Leiterplatte
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Montageanordnung eines Halbleiterbauelements auf einer Leiterplatte, wobei die Leiterplatte auf einem Träger befestigt ist und wobei im Bereich der Auflagefläche des Halbleiterbauelements wenigstens eine Durchkontaktierung in der Leiterplatte zur Ausbildung einer wärmeleitenden Verbindung zwischen dem Halbleiterbauelement und dem Träger angeordnet ist.
Eine derartige Montageanordnung geht beispielsweise aus der DE 41 07 312 AI hervor.
Eine solche Montageanordnung ermöglicht es, die Verlustwärme des Halbleiterbauelements über die im Bereich seiner Auflagefläche angeordneten, mit wenigstens einer Durchkontaktierung der Leiterplatte versehene wärmeleitende Verbindung auf den darunterliegenden Träger abzuführen, von dem sie sehr schnell aufgenommen wird. Die Durchkontaktierung/en stellen fertigungstechnisch nur einen geringen zusätzlichen Aufwand dar, wobei keine zusätzlichen oder besonderen Fertigungsschritte erforderlich sind, da derartige Durchkontaktierungen auch zur Leitungsverbindung zwischen den Kontaktstrukturen auf beiden Seiten der Leiterplatte bzw. zwischen verschiedenen Leitungsebenen von Multilayer-Leiterplatten erforderlich sind. Durch eine derartige Montageanordnung wird aufgrund der sehr guten Wärmeableitung der thermische Widerstand der Leiterplatte gesenkt, so daß eine wirkungsvolle kontinuierliche Kühlung des Halbleiterbauelements gewährleistet ist.
Problematisch ist nun bei einer derartigen Montageanordnung eine kurzzeitige, impulsförmige Erwärmung des Halbleiterbauelements. Denn während eine kontinuierliche Kühlung des Halbleiterbauelements durchaus möglich ist, entstehen bei einer dynamischen, kurzzeitigen, impulsförmigen Aufheizung des Halbleiterbauelements Probleme, da in diesem Falle die sehr schnell entstehende Wärme von den Durchkontaktierungen nur sehr schlecht abgeführt werden kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Montageanordnung eines Halbleiterbauelements auf einer Leiterplatte der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, daß auch bei einer kurzzeitigen, impulsförmigen Aufwärmung des Halbleiterbauelements ein sicherer Abtransport der dabei entstehenden Wärme ermöglicht und dadurch eventuell auftretende Schäden an dem Halbleiterbauelement durch Aufheizung vermieden werden können. Vorteile der Erfindung
Die Erfindung wird bei einer Montageanordnung eines Halbleiterbauelements auf einer Leiterplatte der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen der Leiterplatte und dem Halbleiterbauelement im Bereich dessen Auflagefläche eine als Wärmesenke dienende wärmeleitende Schicht angeordnet ist, die auf der Leiterplatte mittels einer elektrisch isolierenden Verbindungsschicht befestigt ist.
Die Anordnung der als Wärmesenke dienenden wärmeleitenden Schicht zwischen der Leiterplatte und dem Halbleiterbauelement im Bereich dessen Auflagefläche hat den großen Vorteil, daß kurzzeitige in dem Halbleiterbauelement auftretende Wärmepulse, d.h. eine kurzzeitige Aufwärmung des Halbleiterbauelements, in der wärmeleitenden Schicht verteilt, von dieser aufgenommen und über die Durchkontaktierungen an den Träger abgeleitet werden. Auf diese Weise kann sehr wirkungsvoll vermieden werden, daß das Halbleiterbauelement durch eine kurzzeitige impulsförmige Erwärmung zerstört wird.
Die Anordnung der wärmeleitenden Schicht hat demnach den sehr großen Vorteil, daß kurzzeitige dynamische, impulsförmige Erwärmungen des Halbleiterbauelements von diesem sehr effektiv abgeführt werden.
Um einerseits eine möglichst optimale Abfuhr eines kurzzeitig in dem Halbleiterbauelement auftretenden Wärmepulses zu ermöglichen und andererseits die wärmelei- tende Schicht möglichst dünn zu halten, ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Dicke der wärmeleitenden Schicht auf den zeitlichen Verlauf des thermischen Widerstands (Zth) bei einer Impulsbelastung des Halbleiterbauelements angepaßt ist.
Rein prinzipiell können für die wärmeleitende Schicht die unterschiedlichsten wärmeleitenden Materialien verwendet werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß die wärmeleitende Schicht eine Metallschicht, vorzugsweise eine Kupfer-Schicht ist.
Auch hinsichtlich der Ausbildung der isolierenden Verbindungsschicht zwischen der wärmeleitenden Schicht und der Leiterplatte sind die unterschiedlichsten Ausführungsformen denkbar. Eine vorteilhafte, da einfach herzustellende Ausführungsform sieht vor, daß die elektrisch isolierende Verbindungsschicht eine wenigstens teilweise ausgebildete Klebeschicht ist.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß die elektrisch isolierende Verbindungsschicht eine wenigstens teilweise ausgebildete Laminat - schicht ist.
In bezug auf die Befestigung des Halbleiterbauelements auf der wärmeleitenden Schicht wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. So sieht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, daß das Halbleiterbauelement auf der wärmeleitenden Schicht mittels einer Lötverbindung befestigt ist. Was die Befestigung der Leiterplatte auf dem Träger betrifft, sind ebenfalls die unterschiedlichsten Ausführungsformen denkbar. Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß die Leiterplatte mittels eines Klebers auf den Träger geklebt ist.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß die Leiterplatte unter Verwendung einer kunstharzgetränkten Glasfasermatte mit dem Träger verpreßt ist.
Der Träger selbst kann auf die unterschiedlichste Art und Weise ausgebildet sein und aus den unterschiedlichsten Materialien bestehen. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, daß der Träger eine Metallplatte, vorzugsweise eine Aluminiumplatte, ist. Eine Aluminiumplatte ermöglicht zum einen einen guten Wärmeabtransport, zum anderen weist sie vorteilhafterweise ein geringes Gewicht auf .
Zeichnung
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels, das in der Figur schematisch dargestellt ist.
Ein Ausführungsbeispiel einer Montageanordnung eines Halbleiterbauelements 4 auf einer Leiterplatte 2, dargestellt in der Figur, umfaßt einen beispielsweise aus einer Aluminiumplatte bestehenden Träger 8, auf dem über eine Klebeschicht 7 die Leiterplatte 2 befestigt ist. Im Bereich der Auflagefläche des Halbleiterbauelements 4 ist eine als Wärmesenke dienende elektrisch leitende Schicht 3, beispielsweise in Form einer dünnen Kupferschicht, auf der Leiterplatte 2 mittels einer elektrisch isolierenden Verbindung 1 befestigt.
Das Halbleiterbauelement 4 selbst ist mittels einer Lötschicht 5 auf der elektrisch leitenden Schicht 3 befestigt .
In der Leiterplatte 2 sind im Bereich der Auflagefläche des Halbleiterbauelements 4 und damit auch im Bereich der wärmeleitenden Schicht 3 der Kupferplatte Durchkon- takierungen 6 vorgesehen, um eine Wärmeleitung von dem Halbleiterbauelement 4 über die wärmeleitende Schicht 3 auf den Träger 8 zu ermöglichen.
Die Dicke der wärmeleitenden Schicht 3 wird experimentell und/oder rechnerisch auf den zeitlichen Verlauf des thermischen Widerstands Zth bei einer Pulsbelastung des Halbleiterbauelements 4 angepaßt .
Hierzu wird das Halbleiterbauelement 4 kurzzeitig thermisch belastet und dabei rechnerisch und/oder experimentell festgestellt, welche Dicke der wärmeleitenden Schicht 3 notwendig ist, um eine gleichmäßige Verteilung der in dem Halbleiterbauelement 4 impulsförmig entstehenden Wärme und eine effektive Abfuhr dieses Wärmeimpulses über die Durchkontaktierungen 6 auf den Träger 8 zu ermöglichen.
Die isolierende Verbindungsschicht 1 ist eine zumindest teilweise ausgebildete Klebeschicht. Möglich ist es aber auch, eine wenigstens teilweise ausgebildete Laminatschicht vorzusehen.
Die Leiterplatte 2 selbst ist auf dem Träger 8 mittels einer Klebeverbindung 7 befestigt. Die Leiterplatte kann auch unter Verwendung einer kunstharzgetränkten Glasfasermatte mit dem metallischen Träger verpreßt sein.

Claims

Patentansprüche
1. Montageanordnung eines Halbleiterbauelements (4) auf einer Leiterplatte (2), wobei die Leiterplatte (2) auf einem Träger (8) befestigt ist und wobei im Bereich der Auflagefläche des Halbleiterbauelements
(4) wenigstens eine Durchkontaktierung (6) in der Leiterplatte (2) zur Ausbildung einer wärmeleitenden Verbindung zwischen dem Halbleiterbauelement (4) und dem Träger (8) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Leiterplatte (2) und dem Halbleiterbauelement (4) im Bereich dessen Auflagefläche eine als Wärmesenke dienende wärmeleitende Schicht (3) angeordnet ist, die auf der Leiterplatte
(2) mittels einer elektrisch isolierenden Verbindungsschicht (1) befestigt ist.
2. Montageanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der wärmeleitenden Schicht
(3) auf den zeitlichen Verlauf des thermischen Widerstands (Zch) bei einer Impulsbelastung des Halbleiterbauelements (4) angepaßt ist.
3. Montageanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Schicht (3) eine Metallschicht, vorzugsweise eine Kupferschicht, ist .
4. Montageanordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierende Verbindungsschicht (1) eine wenigstens teilweise ausgebildete Klebeschicht ist.
5. Montageanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierende Verbindungsschicht (1) eine wenigstens teilweise ausgebildete Laminatschicht ist.
6. Montageanordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement (4) auf der wärmeleitenden Schicht (3) mittels einer Lötverbindung (5) befestigt ist.
7. Montageanordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (2) mittels einer Klebeschicht (7) auf den Träger (8) geklebt ist.
8. Montageanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (2) unter Verwendung einer kunstharzgetränkten Glasfasermatte mit dem Träger (8) verpreßt ist. Montageanordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger eine Metallplatte, vorzugsweise eine Aluminiumplatte, ist.
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