WO2003021680A2 - Leistungshalbleitermodul - Google Patents

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Abstract

Das Leistungshalbleitermodul (1) umfasst mehrere Halbleiterbauelemente (6, 7, 8), die sich auf einem Substrat (2) befinden. Um einen infolge von Deformationen auftretenden Abnahme des Drucks des Substrats gegen eine Kühlfläche und somit eine Abnahme der Kühlung des Substrats zu verhindern, ist vorgesehen, dass das Substrat (2) mehrere Substratbereiche (3, 4, 5) aufweist und dass sich zwischen Substratbereichen (3, 4, 5) ein oder mehrere Verbindungsbereiche (31, 32) befinden, über die die Substratbereiche (3, 4, 5) relativ-beweglich zueinander verbunden sind.

Description

Beschreibung
Leistungshalbleitermodul
Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit mehreren Halbleiterbauelementen, die sich auf einem Substrat befinden.
Derartige Module sind beispielsweise aus der DE 39 06 690 AI, DE 199 42 915 AI, DE 197 07 514 AI und JP 2001118987 bekannt.
Bei einem beispielsweise aus der DE 199 42 915 AI hervorgehenden Leistungshalbleitermodul sind auf der Oberseite eines isolierenden und thermisch leitenden Trägers (Substrat) eh- rere Leistungshalbleiter in einer Reihe eng benachbart angeordnet. Diese sind über auf derselben Oberseite ausgebildete metallische Leiterbahnen mittels Kontaktflächen elektrisch verbunden und auf diesem Wege ansteuerbar.
Die ebenfalls metallische, beispielsweise kupferbeschichtete, Unterseite des Substrats wird durch elektrisch leitende Druckstücke auf einen Kühlkörper gepresst. Darüber werden die bei Betrieb des Leistungshalbleitermoduls in Form von Wärme auftretenden Verlustleistungen abgeführt. Um eine effektive Wärmeabfuhr bzw. einen geringen Wärmeübergangswiderstand und damit einen sicheren und zuverlässigen Betrieb des Leistungshalbleitermoduls zu gewährleisten, muss der Kühlkörper flächig und spaltfrei an der Substratunterseite anliegen.
Problematisch sind dabei die durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten und geringe Biegesteifigkeit der verschiedenen Modulkomponenten (z.B. von Substrat und Halbleitermaterial) bedingten mechanischen Spannungen innerhalb des Moduls . Innere Spannungen können auch aus dem Hochtemperatur- Herstellungsprozess eines Leistungshalbleitermoduls resultieren und sich durch nachfolgende Lötschritte noch verstärken.
Mechanische Spannungen und/oder die geringe Biegesteifigkeit können dabei zu unerwünschten Verformungen oder Durchbiegungen an der Substrat- bzw. Modulunterseite führen. Es ist dann eine gleichmäßig ebene Kontaktfläche nicht mehr gewährleistet, da durch die infolge der Verformungen entstehenden Zwi- schenräume und Luftspalte die Wärmeübertragung zwischen Kühlelement und Kühlung beeinträchtigt wird. Die genannten Effekte sind besonders dort nicht kompensierbar, wo das Substrat nicht unmittelbar oder nur unzureichend auf den Kühlkörper gedrückt wird wie beispielsweise bei Randbefestigung in der Modulmitte, da dort die Durchbiegung (Wölbung) am größten ist. Der Effekt tritt zudem umso stärker in Erscheinung, je größer das Modul ist. Die Größe des Moduls steigt wiederum mit der Leistung.
Zur Lösung dieser Problematik ist es denkbar, ein zusätzliches Metallteil - z.B. eine Kupferplatte - als Bodenplatte vorzusehen, mit der die Substratunterseite fest verbunden, z.B. verlötet, ist. Bestehende Formabweichungen würden dann durch die zwischenliegende Lotschicht ausgeglichen. Die Bo- denplatte wäre dann mit ihrer Unterseite mit dem Kühlkörper verbunden und dient sowohl einer gleichmäßigen Wärmeverteilung (als sogenannter „Heat Spreader") als auch zur Aufnahme von mechanischen Spannungen.
Allerdings erhöht diese Konstruktion durch die zusätzliche
Bodenplatte und deren Montage die Gesamtkosten eines so ausgestalteten Leistungshalbleitermoduls . Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstig herstellbares Leistungshalbleitermodul mit einem zufriedenstellenden thermischen Kontakt zu einem Kühlelement zu schaffen, das ohne zusätzliche Bodenplatte aus- kommt .
Diese Aufgabe wird bei einem Leistungshalbleitermodul der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Substrat mehrere Substratbereiche aufweist und dass sich zwischen Substratbereichen ein oder mehrere Verbindungsbereiche befinden, über die die Substratbereiche relativ-beweglich zueinander verbunden sind.
Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Anordnung der Halbleiterbauelemente und ggf. weiterer Bauelemente nicht auf einem einzigen, einstückigen Substrat erfolgt, sondern auf mehrere Substratbereiche (Teilsubstrate) verteilt ist. Dadurch kann jedes einzelne Teilsubstrat besser an die Kühlfläche angedrückt und somit besser gekühlt werden.
Darüber hinaus erfährt jedes einzelne Teilsubstrat infolge der zuvor beschriebenen temperaturbedingten Spannungen und Wärmeeffekte zwar ebenfalls eine Verformung, die aber wesent- lieh geringer ist als die Verformung eines flächenentsprechenden einzigen Gesamtsubstrats wäre. Mit anderen Worten: Die z.T. unvermeidliche Deformation wird auf mehrere Teilsubstrate und damit entsprechend auf kleinere Teildeformationen aufgeteilt, deren absolutes Verformungsmaxima wesentlich ge- ringer ist.
Substrate werden mit zunehmender Größe bruch- und beschädigungsempfindlicher. Ein Vorteil der Erfindung besteht daher zudem darin, dass das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul mit seinen mehreren individuellen Substratbereichen mechanisch wesentlich robuster ist. Dies erhöht vorteilhafterweise die Ausbeute im Fertigungs- und Montageprozess.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die mit Halbleiterbauelementen bestückten einzelnen Substratbereiche individuell vorab getestet und bei Defekt ersetzt werden können. Damit kann der Ausschuss an fertigen Modulen kostengünstig minimiert werden.
Damit einher geht eine weitere Erhöhung der Ausbeute, weil bei fehlerhaften Substratbereichen nicht notwendigerweise das gesamte zu einem Leistungshalbleitermodul gehörende Substrat- material, ggf. mit den bereits montierten Bauelementen, verworfen werden muss .
Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Substratbereiche über einen oder mehrere Ver- bindungsbereiche relativ beweglich zueinander verbunden sind.
Der jeweilige Verbindungsbereich weist eine höhere mechanische Verformbarkeit (Elastizität) auf als das Substrat üblicherweise aufweist. Damit sind quasi Scharniere oder gelenkige Bereiche zwischen den Substratbereichen gebildet. Die Ver- bindungsbereiche verhindern, dass sich die Substratbereichs im angrenzenden Substratbereiche gegenseitig mechanisch beeinflussen.
An jedem Verbindungsbereich besteht darüber hinaus die Mög- lichkeit, eine Korrektur in der Ausrichtung der individuellen
Substratbereiche in der Weise vorzunehmen, dass sich die Deformation minimiert und sich somit eine ebene Kontaktfläche des Leistungshalbleitermoduls bildet, die einen optimierten Wärmeübergang zu einem anzuschließenden Kühlkörper schafft.
Erfindungsgemäß weist das Leistungshalbleitermodul zudem ein Gehäuse auf, das im Bereich zwischen den Substratbereichen Einwirkungsstellen für eine mechanische Druckbeaufschlagung der Verbindungsbereiche hat, wobei das Gehäuse die einzelnen Substratbereiche mit Druck beaufschlagt.
Insbesondere durch die Einwirkungsstellen für eine mechanische Druckbeaufschlagung der Verbindungsbereiche wird eine besonders gute Wärmeleitung zu einem an der Montagefläche (Unterseite) des Leistungshalbleitermoduls anzuschließenden Kühlelement gewährleistet.
Dabei können die Einwirkungssteilen z.B. Senkungen im Gehäuse sein, die einen Durchgriff äußerer mechanischer Druckmittel (z.B. Spannschrauben) zur Substratebene hin ermöglichen. Es können aber auch innerhalb des Gehäuses Druckstege vorgesehen sein, die von außen auf das Gehäuse einwirkende Druckkräfte zu den Einwirkungsstellen weiterleiten.
Weiterhin ist erfindungsgemäß das Gehäuse insbesondere in den Abschnitten zwischen den Einwirkungssteilen für eine mechani- sehe Druckbeaufschlagung federnd ausgeführt. Dadurch wird ein Andruck jeweils einzeln auf jedes Teilsubstrat gewährleistet, wobei die einzelnen Teilsubstrate mechanisch durch die Einwirkungsstellen (d. h. durch Schrauben, Klammern, Nieten etc.) separiert sind. Die Einwirkstellen selbst üben unmit- telbar keinen Druck auf die Teilsubstrate aus.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Halbleitermoduls sieht vor, dass die Verbindungsbereiche durch Ausnehmungen in dem Material des Substrats gebildet sind. Dies stellt eine fertigungstechnisch besonders einfache Möglichkeit dar, Verbindungsbereiche mit erhöhter Beweglichkeit oder Verformbarkeit zu schaffen. Die Ausnehmungen können bei- spielsweise als Perforation ausgebildet sein.
Fertigungstechnisch besonders bevorzugt ist es, wenn die Materialausnehmungen schlitzförmig sind.
Bevorzugt kann das Substrat aus Keramik bestehen. Dies erlaubt eine hervorragende elektrische Isolation der darauf montierten Halbleiterbauelemente und elektrischen Verbindungen bei guter Wärmeableitung über die Keramik zum Kühlkörper. Zwischen Substrat und Kühlkörper kann dabei eine Wärmeleit- paste eingebracht sein.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Gehäuse zumindest in den Bereichen der Substratbereiche derart ist, dass es mit einer Federkraft auf die Substratbereiche wirkt. Dadurch wird auf jedes Teilsubstrat einzeln ein Druck ausgeübt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert; es zeigen schematisch:
Figur 1: ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls im Querschnitt, Figur 2: das Substrat des Leistungshalbleitermoduls aus
Figur 1 in Aufsicht, Figur 3: ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsge- mäßen Leistungshalbleitermoduls im Querschnitt und
Figur 4: das Substrat des Leistungshalbleitermoduls aus Figur 2 in Aufsicht. Das in Figur 1 gezeigte Leistungshalbleitermodul 1 umfasst ein Keramik-Substrat (Trägerelement) 2, das in mehrere Substratbereiche (Teilsubstrate) 3, 4 und 5 segmentiert ist und quasi drei Segmente S aufweist (Figur 2) . Auf den Substratbe- reichen 3, 4 und 5 sind Halbleiterbauelemente 6, 7 und 8 angeordnet, die alle Bestandteile des Gesamtmoduls 1 sind. Die Halbleiterbauelemente sind über angedeutete Bonddrähte mit nicht näher dargestellten Leiterbahnen kontaktiert, die auf der jeweiligen Oberfläche 12, 13, 14 der Teilsubstrate ausge- bildet sind. Die Leiterbahnen verschiedener Teilsubstrate können miteinander über Bonddrähte elektrisch verbunden sein. Die Leiterbahnen führen zu Kontaktstiften (Anschlusspins) 16, 17, 18 zum externen Anschluss des Leistungshalbleitermoduls. Die Halbleiterbauelemente 6, 7 und 8 können Leistungshalblei- ter sein, die hohe in Wärme umgesetzte Verlustleistungen entwickeln und deshalb eine effektive Wärmeableitung erfordern.
Das Halbleitermodul umfasst ferner ein federndes, d. h. ein entsprechend elastisches Modulgehäuse 20, das im Kunststoff- spritzgussverfahren hergestellt ist. Die Rückseiten 22, 23, 24 der Teilsubstrate 3, 4, 5 bilden Teilflächen der Modulunterseite 25, die zum thermischen Kontakt mit einem Kühlkörper 28 möglichst eben ausgebildet ist und auf die beispielsweise mit einer Wärmeleitpaste aufgebracht ist. Zur ebenen Ausbil-- düng dient die Verwendung mehrerer Teilsubstrate. Würde nur ein einziges Substrat verwendet, auf dem alle Halbleiterbauelemente anzuordnen wären und das dementsprechend die Gesamtmontagefläche aller Teilsubstrate aufweisen müsste, würden zum einen innere, aus schon im Herstellprozess aufgetretenen thermischen Belastungen resultierende mechanische Spannungen erheblichen Einfluss ausüben und zum anderen kein zufriedenstellender thermischer Kontakt erzielt und damit die Kühlung des Substrats sicher gestellt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Halbleitermodul führen diese Spannungen nur zu geringen Deformationen und Verformungen, weil sie sich auf mehrere Teilsubstrate verteilen und wegen der geringeren absoluten Ausdehnung des individuellen Teilsubstrats jeweils nur vergleichsweise geringen Einfluss haben.
Das Substrat 2 weist neben den Substratbereichen 3, 4, und 5 zwischen den Substratbereichen ausgebildete Verbindungsbereiche 30 und 31 auf (vgl. auch Figur 2) . Die Substratbereiche 3 und 4 sind z.B. über den Verbindungsbereich 30 relativ beweglich zueinander verbunden. Der Verbindungsbereich 30 fungiert quasi als Gelenk oder Scharnier, so dass die Substratbereiche 3 und 4 unter Einschluss eines von 180° verschiedenen Winkels (Korrekturwinkel) auch zueinander ausgerichtet werden können. Damit wird beispielsweise verhindert, dass sich eine Verformung des Substratbereichs 3 in den Substratbereich 4 fortsetzt. Ist beispielsweise der Substratbereich 3 gegenüber der Horizontalen H um einen Winkel α (in Figur 1 stark vergrößert und übertrieben dargestellt) durch Verformungen infolge thermisch induzierter Spannungen verkippt, kann durch entsprechendes gegensinniges Verkippen des Substratbereichs 4 eine Fortpflanzung dieses Winkels α in den Substratbereich 4 hinein vermieden und die Verkippung durch eine gegengleiche Verkippung sogar kompensiert werden. Damit wird eine weitest- gehend von infolge thermisch induzierter Spannungen auftretenden Verformungen freie Modulunterseite 25 als Kontaktfläche des Leistungshalbleitermoduls geschaffen.
Die Verbindungsbereiche 30 und 31 sind nach Figur 2 beispielsweise von in das Material des AusgangsSubstrats eingebrachten Schlitzen 33, 34 gebildet. Es sind aber auch andere geometrische Formen und Ausgestaltungen der Verbindungsberei- ehe denkbar, die in gleicher Weise eine gegenüber dem Ausgangssubstrat erhöhte Flexibilität der Verbindungsbereiche bewirken.
Das Gehäuse 20 weist Zugangsbereiche 35, 36 auf, durch die z.B. durch äußere Klammern oder Versehraubungen mechanischer Druck (durch Pfeile P symbolisiert) unmittelbar auf die Verbindungsbereiche 30, 31 ausgeübt werden kann, um das Substrat insgesamt homogen auf den Kühlkörper 28 zu pressen. Weiterer mechanischer Anpressdruck kann wie durch weitere Pfeile P angedeutet an Andruckpunkten AP in den Randbereichen des Leistungshalbleitermoduls aufgebracht werden.
Figur 3 zeigt schematisch eine Variante eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 101 im Querschnitt. Danach bilden mehrere bestückte und in Figur 1 bereits ausführlich beschriebene Substratbereiche (Teilsubstrate) 103, 104, 105 Segmente S eines Substrats 102 (vgl. Figur 4). Die Leiterbahnen verschiedener Teilsubstrate können miteinander über Bonddrähte 108, 109 elektrisch verbunden sein. Auch hier bilden die Unterseiten der Substratbereiche Teilflächen der Modulunterseite 125, die zum thermischen Kontakt mit einem Kühlkör- per 128 eben ausgebildet ist.
Verbindungsbereiche 130 und 131 sind nach Figur 4 von in das Material des Ausgangssubstrats eingebrachten Schlitzen 133, 134 gebildet. Ein federndes Gehäuse 120 weist Zugangsbereiche 135, 136 auf seiner Oberseite 140 auf. Auf diese Zugangsbereiche 135, 136 z.B. durch äußere Klammern oder Verschraubun- gen aufgebrachter mechanischer Druck (durch Pfeile P angedeutet) wird durch gehäuseinterne Stempel oder vertikale Brücken 150, 151 auf die Verbindungsbereiche 130, 131 übertragen. Da- durch wird das Substrat 101 insgesamt sehr homogen auf den Kühlkörper 128 gepresst. Weiterer mechanischer Anpressdruck kann wie durch weitere Pfeile P angedeutet an Andruckpunkten AP in den Randbereichen des Leistungshalbleitermoduls aufgebracht werden.
Eine besondere vorteilhafte Wirkung wird also dadurch erzielt, dass ein Andruck durch das Gehäuse jeweils einzeln auf jedes Teilsubstrat ausgeübt wird, wobei die Einwirkungsstellen und die einzelnen Teilsubstrate mechanisch voneinander separiert sind. Die Einwirkstellen selbst üben also keinen unmittelbaren Druck auf die Teilsubstrate aus . Bezugszeichenliste :
1 Leistungshalbleitermodul 1
2 Keramik-Substrat
3, 4, 5 Substratbereiche (Teilsubstrate)
6, 7, 8 Halb1eiterbaue1emente
12, 13, 14 Oberfläche
16, 17, 18 Kontaktstifte (Anschlusspins)
20 Modulgehäuse
22, 23, 24 Rückseiten
25 Modulunterseite
28 Kühlkörper
30, 31 Verbindungsbereiche
35, 36 Zugangsbereiche
33, 34 Schlitze
101 Leistungshalbleitermodul
102 Substrat
103, 104, 105 Substratbereiche (Teilsubstrate)
108, 109 Bonddrähte
120 Gehäuse
125 Modulunterseite
128 Kühlkörper
130, 131 Verbindungsbereiche
133, 134 Schlitze
135, 136 Zugangsbereiche
140 Oberseite
150, 151 Stempel
S Segment
H Horizontalen α Winkel
P Pfeile
AP Andruckpunkten

Claims

Patentansprüche
1. Leistungshalbleitermodul (1) mit mehreren Halbleiterbau- elementen (6, 7, 8) , die sich auf einem Substrat (2) befinden,
- das Substrat (2) mehrere Substratbereiche (3, 4, 5) aufweist und
- sich zwischen Substratbereichen (3, 4, 5) ein oder mehre- re Verbindungsbereiche (31, 32) befinden, über die die
Substratbereiche (3, 4, 5) relativ-beweglich zueinander verbunden sind. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass - das Leistungshalbleitermodul (1) ein Gehäuse (20, 120) aufweist, das im Bereich zwischen den Substratbereichen (31, 32) Einwirkungsstellen (35, 36) für eine mechanische Druckbeaufschlagung der Verbindungsbereiche hat und
- das Gehäuse (20, 120) die einzelnen Substratbereiche (3, 4, 5) mit Druck beaufschlagt.
2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Verbindungsbereiche (31, 32) durch Ausnehmungen in dem Material des Substrats (2) gebildet sind.
3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Materialausnehmungen (33, 34) schlitzförmig sind.
4. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch geken zeichnet, dass
- das Substrat (2) eine Keramik ist.
5. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch geken zeic net, dass
-das Gehäuse (20, 120) zumindest in den Bereichen der Substratbereiche (3, 4, 5) derart ist, dass es mit einer Fe- derkraft auf die Substratbereiche (3, 4, 5) wirkt.
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