DE10127052A1

DE10127052A1 - Verbindung eines Halbleiterbauelements mit einem Kühlkörper, Halbleiterbauelement, Kühlkörper und Verfahren

Info

Publication number: DE10127052A1
Application number: DE10127052A
Authority: DE
Inventors: Peter Skala
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-06-02
Filing date: 2001-06-02
Publication date: 2002-12-12
Also published as: FR2825514A1; ITMI20021167A0; ITMI20021167A1

Abstract

Es wird eine Verbindung eines Halbleiterbauelements (10) mit einem Kühlkörper (20), ein Halbleiterbauelement (10), ein Kühlkörper (20) und ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung vorgeschlagen, wobei das Halbleiterbauelement eine Bodenaußenfläche (124) und wobei der Kühlkörper (20) eine Bodeninnenfläche (204) aufweist, die in thermischem Kontakt miteinander vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbindung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein entsprechendes Halbleiterbauelement, einen entsprechenden Kühlkörper und ein Verfahren zur Verbindung eines Halbleiterbauelements mit einem Kühlkörper.

Stand der Technik

Es sind sogenannte Einpreßdioden bekannt, die beispielsweise in Generatoren von Kraftfahrzeugen Verwendung finden, die beispielsweise im Kühlkörper bzw. im Lagerschild solcher Generatoren bzw. von ähnlichen Komponenten, insbesondere im Kraftfahrzeug, über die Stirnfläche ihres Sockels eingepresst werden. Solche Einpressdioden weisen im Allgemeinen eine Rändelung ihres Sockels auf, so dass über die Umfangsfläche des Sockels Wärme an den Kühlkörper bzw. das Lagerschild abgegeben werden kann.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Verbindung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs, das Halbleiterbauelement, der Kühlkörper und das Verfahren gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben demgegenüber den Vorteil, dass die Wärmeabfuhr vom Halbleiterbauelement erheblich vergrößert und somit entweder die Temperatur des Halbleiterbauelementes gesenkt oder aber bei gleicher Temperatur des Halbleiterbauelements beispielsweise eine höhere Umgebungstemperatur möglich ist oder aber, dass das Bauelement bei gleicher Temperatur einer höheren Verlustleistung standhält.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den nebengeordneten Ansprüchen angegebenen Gegenstände möglich.

Besonders vorteilhaft ist, dass ein Halbleiterbauelement mit rotationssymmetrischem Sockel in jeder beliebigen Orientierung in einer Öffnung im Kühlkörper eingebracht werden kann. Dies ist besonders dann der Fall, wenn die Innenwand und die Außenwand im Wesentlichen zylindrisch vorgesehen ist und wenn die Bodenflächen im Wesentlichen rund vorgesehen sind.

Weiterhin ist von Vorteil, dass die Verbindung als Preßsitzverbindung vorgesehen ist. Damit sind keine weiteren Maßnahmen zur Kontaktierung zwischen Halbleiterbauelement und Kühlkörper erforderlich. Weiterhin kann der Außenrand des Sockels beim Einpressen des Halbleiterbauelements gleichzeitig in die Öffnung des Kühlkörpers verstämmt werden, so dass eine noch bessere Kontaktierung zwischen Halbleiterbauelement und Kühlkörper entsteht.

Weiterhin ist von Vorteil, dass die Bodeninnenfläche und die Bodenaußenfläche strukturiert sind und miteinander zusammenwirken, so dass beim Einpressen insbesondere eine plastische Verformung der Strukturen bzw. einer der Strukturen eintritt. Damit wird die Nutzung der Bodenfläche als Wärmeübergangsfläche sicher ermöglicht, da etwaige Unebenheiten bzw. Verunreinigungen nicht zu einem Verlust der Wärmeübergangsfähigkeit führen.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Halbleiterbauelement, welches mit seinem Sockelrand mit einem Kühlkörper verbunden ist,

Fig. 2 das Halbleiterbauelement, welches sowohl mit seinem Sockelrand als auch mit seiner Sockelbodenfläche mit einem Kühlkörper verbindbar ist und

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform des Halbleiterbauelements, welches ebenfalls mit seiner Sockelumfangsfläche und seiner Sockelbodenfläche mit einem entsprechenden Kühlkörper verbindbar ist.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist eine Verbindung eines Halbleiterbauelements 10 mit einem Kühlkörper 20 dargestellt. Dargestellt ist ein Querschnitt durch eine Öffnung im Kühlkörper 20, in die das Halbleiterbauelement 10 eingebracht wird. Hierbei ist die Öffnung gemäß dem Stand der Technik als Loch vorgesehen, wobei insbesondere ein kreisrundes Loch vorgesehen ist.

Das Halbleiterbauelement 10 ist insbesondere in Form einer Diode vorgesehen und wird im Folgenden daher auch als Diode 10 bezeichnet. Beim Halbleiterbauelement 10 kann es sich jedoch um ein beliebiges anderes Bauelement, 10 handeln, wobei erfindungsgemäß insbesondere solche Halbleiterbauelemente 10 Betrachtung finden, welche als sogenannte Leistungshalbleiterbauelemente für Betriebszustände vorgesehen sind, die es erforderlich machen, eine vergleichsweise große Verlustleistung zu verkraften, welche in Form von Wärme an den Kühlkörper 20 abgegeben werden muß.

Die Diode 10 umfasst einen Sockel 12, ein Vergußgehäuse 14 und einen Kopfdraht 16. Hierbei ist der Sockel 12 erfindungsgemäß entweder lediglich als Wärmeabfuhrfläche oder gleichzeitig als Wärmeabfuhrfläche und als elektrischer Anschluß der Diode 10 vorgesehen. Weiterhin ist der Kopfdraht 16 als elektrischer Anschluß der Diode vorgesehen. Erfindungsgemäß ist es möglich, dass auf der Seite des Kopfdrahtes 16, d. h. in der Darstellung der Fig. 1 auf der oberen Seite der Diode 10 weitere elektrische Anschlüsse aus dem Gehäuse 14 austreten. Der innere Aufbau der Diode 10 bzw. des Halbleiterbauelementes 10, d. h. seine Komponenten, die sich zwischen dem Sockel 12, dem Gehäuse 14 und dem Kopfdraht 16 bzw. den elektrischen Anschlüssen 16 befindet, sind für die vorliegende Erfindung irrelevant und werden daher nicht näher beschrieben.

Der Sockel 12 der Diode 10 umfasst eine Sockelmantelfläche 122, welche mit einer Innenfläche 202 des Kühlkörpers 20 derart zusammenwirkt, dass sie in thermischem Kontakt zueinander stehen. Der Innenfläche 202 entspricht die Oberfläche oben beschriebener Öffnung in dem Kühlkörper 20. Gemäß dem Stand der Technik wird die Diode 10 von ihrer Sockelseite, die in Fig. 1 mit dem Pfeil 13 bezeichnet ist, in die Bohrung des Kühlkörpers 20 eingepresst, die die Diode 10 aufnehmen soll.

In Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Verbindung des Halbleiterbauelements 10 mit dem Kühlkörper 20 dargestellt. Gleiche Bezugszeichen aus der Fig. 1 bezeichnen gleiche Teile und Komponenten der Diode 10 bzw. des Kühlkörpers 20. Im Gegensatz zu dem in der Fig. 1 dargestellten Stand der Technik wird jetzt keine durchgehende Öffnung, also beispielsweise eine Bohrung, in dem Kühlkörper 20 zur Aufnahme der Diode 10 vorgesehen, sondern es ist lediglich ein Sackloch 201 als Ausnehmung zur Aufnahme der Diode 10 vorgesehen. Das Sackloch 201 weist dabei die in der Fig. 1 bereits beschriebene Innenwand 202 sowie darüber hinaus eine Bodeninnenfläche 204 auf. Der Sockel 12 der Diode 10 weist entsprechend eine Bodenaußenfläche 124 auf. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Diode 10 derart in das Sackloch 201 des Kühlkörpers 20 eingebracht wird, dass zwischen der Bodenaußenfläche 124 des Sockels 12 und der Bodeninnenfläche 204 des Sacklochs 201 im Kühlkörper 20 ein thermischer Kontakt vorgesehen ist. Dies hat zum Vorteil, dass nicht nur die Wandflächen, d. h. die Außenwand 122 des Sockels 12 und die Innenwand 202 des Kühlkörpers 20 sondern auch die Bodenflächen 124, 204 zum Abtransport der in dem Halbleiterbauelement 10 erzeugten Verlustleistung und der damit einhergehenden Wärmeentwicklung genutzt werden. Dies hat eine gegenüber der bloßen Vorsehung der Wandflächen 122, 204 bei üblichen Dimensionierungen der Diode 10 eine Vergrößerung der Wärmeübergangsfläche von mehr als dem Doppelten zur Folge.

Beispielsweise bei Anwendungen wie Generatoren in Kraftfahrzeugen werden Leistungshalbleiterbauelemente benötigt, die immer höheren Umgebungstemperaturen standhalten und dennoch eine zuverlässige Wärmeabfuhr der Verlustleistungswärme gewährleisten. Insbesondere durch die verstärkte Motorraumverkapselung werden die Umgebungstemperaturen für solche Halbleiterbauelemente vergrößert, bis zu 130°C und darüber, so dass für die Wärmeabfuhr bei einer vorgegebenen maximalen Temperatur, denen die Halbleiteranordnungen im Inneren der Halbleiterbauelemente standhalten, eine geringere Temperaturdifferenz zur Verfügung steht. Eine solchermaßen geringere Temperaturdifferenz muß daher bei gleichen Anforderungen an die abzutransportierende Verlustwärme mit einer größeren Wärmeübergangsfläche kompensiert werden.

Erfindungsgemäß ist es daher vorgesehen, die Bodenfläche des Sockels, d. h. die Bodenaußenfläche 124 auch als Wärmeübergangsfläche zu benutzen. Hierzu weist der Kühlkörper 20 quasi als Pendant zur Bodenaußenfläche 124 des Sockels 12 die Bodeninnenfläche 204 auf. Hierzu ist es jedoch notwendig, dass die Ausnehmung im Kühlkörper 20, die zur Aufnahme der Diode 10 vorgesehen ist, nicht als durchgehende Bohrung sondern als Sackloch 201 zu gestalten. Weiterhin muß die Diode 10 erfindungsgemäß von ihrer Kopfdrahtseite, d. h. aus einer Richtung, die mit einem Pfeil dargestellt ist, der mit dem Bezugszeichen 17 in Fig. 2 versehen ist, in das Sackloch 201 des Kühlkörpers 20 eingebracht werden. Dies ist jedoch mit einer in Fig. 1 dargestellten Diode 10 herkömmlicher Bauart nicht möglich, da das Gehäuse 14 bzw. der Kopfdraht 16 nicht dazu geeignet ist, eine entsprechende Kraft aufzunehmen, die zum Einbringen der Diode 10 in das Sackloch 201 notwendig ist. Eine erfindungsgemäße Diode 10 sieht daher vor, am Sockel 20 einen vergrößerten Rand 126 auszubilden, der in der Lage ist, eine Kraft auszunehmen, die ausreicht, die Diode 10 in das Sackloch 201 einzubringen. Der linke Teil der Schnittdarstellung in Fig. 2 zeigt die Diode 10 in einem Zustand, in dem sie noch nicht vollständig in das Sackloch 201 eingebracht ist und der rechte Teil der Fig. 2 zeigt die Diode 10 in einer Schnittdarstellung bei vollständigem Einbringen der Diode 10 in das Sackloch 201, so dass ein thermischer Kontakt zwischen der Diode 10 und dem Kühlkörper 20 sowohl über die Umfangsfläche 122 des Sockels 12 als auch über dessen Bodenfläche 124 gewährleistet ist.

Erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen, dass der Rand 126 der Diode 10 beim Einpressen in das Sackloch 201 verstemmt wird. Hierdurch wird ein besonders inniger Kontakt im Sinne eines guten thermischen Übergangs zwischen Diode 10 und Kühlkörper 20 dadurch hergestellt, dass der Rand 126 der Diode 10 plastisch veformt wird und sich so vollständig dem Sackloch 201 anpasst. Bei der erfindungsgemäßen Verbindung des Halbleiterbauelements 10 mit dem Kühlkörper 20 ist weiterhin vorgesehen, dass die Bodeninnenfläche 204 des Sacklochs 201 eine erste Struktur aufweist und dass die Bodenaußenfläche 124 des Sockels 12 eine zweite Struktur aufweist, wobei die erste Struktur und die zweite Struktur bei in das Sackloch 201 eingebrachter Diode 10 zusammenwirken. In Fig. 2 ist die erste Struktur als Außenwölbung 205 und die zweite Struktur als Innenwölbung 125 vorgesehen. Erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen, dass sich beim Einbringen der Diode 10 in das Sackloch 201 eine plastische Verformung der ersten und/oder der zweiten Struktur ergibt.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbindung des Halbleiterbauelements 10 mit dem Kühlkörper 20 dargestellt. Gleiche Bezugszeichen aus den vorangegangenen Fig. 1 oder 2 bezeichnen wiederum gleiche Teile der Diode 10 bzw. des Kühlkörpers 20. Im Gegensatz zur in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbindung ist in Fig. 3 vorgesehen, dass die erste und die zweite Struktur aus einer rillenförmigen Strukturierung der Bodeninnenfläche 204 und der Bodenaußenfläche 124 bestehen. Die erfindungsgemäß entsprechend der weiteren Ausführungsform vorgesehenen Rillen der ersten und zweiten Struktur wirken erfindungsgemäß dadurch zusammen, dass sie ineinander greifen und somit die mögliche Kontaktfläche zwischen der Bodeninnenfläche 204 und der Bodenaußenfläche 124 vergrößern.

Erfindungsgemäß ist in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform das Sackloch 201 und der Sockel 12 der Diode 10 insbesondere rotationssymmetrisch vorgesehen, so dass die Diode 10 in jeder beliebigen Drehstellung in das Sackloch 201 eingebracht werden kann. Dementsprechend sind die Rillen der ersten und zweiten Struktur gemäß, der weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbindung in besonders vorteilhafter Weise kreisförmig und zwar mit konzentrischen Kreisen vorgesehen.

Erfindungsgemäß ist es bei der weiteren Ausführungsform weiterhin vorgesehen, die Rillen der ersten und zweiten Struktur, welche derart ineinandergreifen, dass die hervorstehenden Zacken der Rillenstruktur sowohl der Bodenaußenfläche 124 als auch der Bodeninnenfläche 204 etwas abgestumpft sind, so dass lediglich die Flankenflächen der Rillen, welche in einer Detailvergrößerung der Fig. 3 mit dem Bezugszeichen 130 versehen sind, als Kontaktflächen zwischen der Bodenaußenfläche 224 und der Bodeninnenfläche 204 fungieren. Bei einer vorgegebenen Kraftwirkung in vertikaler Richtung ergibt sich daher an den schrägstehenden Flankenflächen 130 eine weitaus größere Kraftwirkung, die eine plastische Verformung und damit eine innigere Verbindung zwischen den beiden Bodenflächen 124, 204 im Sinne eines besseren Wärmeübergangs zwischen beiden fördert.

Zusätzlich kann erfindungsgemäß in das Sackloch 201 zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen den beiden Bodenflächen 124, 204 eine nichtdargestellte Leitfähigkeitspaste oder Ähnliches zur Verbesserung des Wärmeübergangs vorgesehen sein.

Claims

1. Verbindung eines Halbleiterbauelements (10) mit einem Kühlkörper (20), wobei der Kühlkörper (20) eine Innenwand (202) aufweist und wobei das Halbleiterbauelement (10) einen Sockel (12) mit einer Außenwand (122) aufweist, wobei des Sockel (12) im Anschluß an die Außenwand (122) eine Bodeninnenfläche 124 aufweist und wobei der Kühlkörper (20) im Anschluß an die Innenwand (202) eine Bodeninnenfläche (204) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenaußenfläche (124) und die Bodeninnenfläche (204) bei mit dem Kühlkörper (20) verbundenem Halbleiterbauelement (10) zumindest teilweise in thermischem Kontakt vorgesehen sind.

2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand (202) und die Außenwand (122) im Wesentlichen zylindrisch vorgesehen sind und dass die Bodenflächen (204, 124) im Wesentlichen rund vorgesehen sind.

3. Verbindung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung als Presssitzverbindung vorgesehen ist.

4. Verbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand (122) eine Rändelung aufweist, die beim Einpressen des Halbleiterbauelements (10) plastisch verformt wird.

5. Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodeninnenfläche (204) eine erste Struktur aufweist, die mit einer zweiten Struktur, die auf der Bodenaußenfläche 124 vorgesehen ist, zusammenwirkt, so dass insbesondere eine plastische Verformung der ersten und/oder der zweiten Struktur bei der Herstellung der Verbindung eintritt.

6. Verbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen als konzentrische Ringe, insbesondere in Form von Rillen, vorgesehen sind.

7. Verbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Struktur als eine Außenwölbung (205) und dass die zweite Struktur als eine Innenwölbung (125) vorgesehen ist.

8. Halbleiterbauelement (10) zur Verbindung mit einem Kühlkörper (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

9. Kühlkörper (20) zur Verbindung mit einem Halbleiterbauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

10. Verfahren zur Herstellung einer Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Halbleiterbauelement (10) von der seinem Sockel (12) abgewandten Seite in eine Ausnehmung (201) des Kühlkörpers (20) gepresst wird.