DE102006009978B4

DE102006009978B4 - Leistungshalbleitermodul

Info

Publication number: DE102006009978B4
Application number: DE102006009978A
Authority: DE
Inventors: Karsten Dr. Guth; Mark Nils Münzer; Thomas Dr. Licht
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2006-03-03
Filing date: 2006-03-03
Publication date: 2008-12-18
Anticipated expiration: 2026-03-04
Also published as: DE102006009978A1

Abstract

Leistungshalbleitermodul,
– mit mindestens einer Halbleitereinheit (40), bestehend aus einem Substrat (20) und mindestens einem auf der Oberseite (20a) des Substrats (20) vorgesehenen Halbleiterbauelement (30), und
– mit einer Bodenplatte (10) als Träger, auf deren Oberseite (10a) die jeweilige Halbleitereinheit (40) mit der Unterseite (20b) des jeweiligen Substrats (20) aufgebracht ist,
– bei welchem die Bodenplatte (10) mit oder aus einem Verbundwerkstoff (10') mit einem Metallmaterial (11') und mit mindestens einem Einsatz (12) mit oder aus einem AlSiC-Material (12') im Metallmaterial (11') ausgebildet ist,
– bei welchem das Metallmaterial (11') als Grundkörper (11) der Bodenplatte (10) ausgebildet ist,
– bei welchem der mindestens eine Einsatz (12) lokal im Metallmaterial (11') ausgebildet ist und
– bei welchem der jeweilige Einsatz (12) die Bodenplatte (10) in ihrer Schichtstärke vollständig von der Oberseite (10a) zur Unterseite (10b) durchmisst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul und insbesondere unter anderem Maßnahmen zur Verbesserung der Lastwechselfestigkeit bei Leistungshalbleitermodulen.
Bei der Entwicklung und Verbesserung von Leistungshalbleitermodulen spielen im Rahmen der Erfüllung von Anforderungen bei der Funktionsintegrität auch Aspekte der Beständigkeit der Funktion und der Struktur von Leistungshalbleitermodulen bei so genannten Wechsellasten eine große Rolle. Damit ist im Allgemeinen die Fähigkeit eines Leistungshalbleitermoduls gemeint, den wechselnden thermischen Beanspruchungen der unterschiedlichen und aneinander gefügten Materialzusammensetzungen gerecht werden zu können. Aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten direkt benachbarter oder auch über Zwischenschichten indirekt aneinander gekoppelter Materialien entstehen häufig Probleme im Hinblick auf die mechanische Stabilität von Schichtstrukturen und deren Verbindungen aneinander.
So ist es z. B. bekannt, dass Leistungshalbleitermodule, bei welchen Halbleitereinheiten mit ihrem zugrunde liegenden Substrat auf einer als Träger dienenden Bodenplatte angebracht werden, hinsichtlich der Langzeitstabilität der Verbindung zwischen Bodenplatte als Träger und dem darauf angeordneten Substrat der Halbleitereinheiten Mängel aufweisen, die nur durch bestimmte und aufwändige Maßnahmen und auch nur zum Teil kompensiert oder behoben werden können.
Die US 6 473 303 B2 betrifft eine Kühleinrichtung für ein Leistungshalbleitermodul, welche aus zwei Teilen besteht, wobei deren unterer Teil eine Ausnehmung aufweist, in welcher ein oberer Teil eingebracht angeordnet ist. Eine vorgesehene Kühlplatte des oberen Teils kann als Material AlSiC aufweisen. Der untere Teil der Kühleinrichtung besteht zum Beispiel aus einem Metall, zum Beispiel aus Aluminium oder Kupfer. Vorgesehene Halbleiterkomponenten sind direkt auf dem oberen Teil der Kühleinrichtung aufgebracht, ohne dass es dazu eines speziellen Substrats bedarf.
Die DE 197 35 531 A1 stellt ein Leistungshalbleitermodul mit in Submodulen integrierten Kühlern vor. Die Submodule weisen ein Substrat auf, auf dessen Oberseite ein jeweiliger Halbleiterchip und auf dessen Unterseite ein Kühler angeordnet sind. Der Kühler besitzt einen ersten Kühlkörper, welcher aus AlSiC bestehen kann. Eingebracht ist dieser Kühlkörper mit darin angeschlossenen Kühlerstrukturen in einer Ausnehmung eines Kunststoffgehäuses.
Die DE 103 31 453 A1 betrifft ein Verfahren zum Erzeugen wenigstens einer Wärmebrücke in einem Substrat, wobei in dem Substrat wenigstens eine Aussparung erzeugt ist oder wird, bei dem wenigstens ein wärmeleitfähiger Körper in die Ausspraung eingebracht ist oder wird, wobei die Außenabmessungen des wärmeleitfähigen Körpers kleiner sind als die Innenabmessungen der Aussparung, so dass der wärmeleitfähige Körper nach dem Einbringen in die Aussparung von dem Rand der Aussparung beabstandet ist. Es ist eine Umformung des wärmeleitfähigen Körpers zur kraftschlüssigen Verbindung zwischen dem Körper und dem Rand der Aussparung vorgesehen, durch welche der wärmeleitfähige Körper in der Aussparung fixiert ist oder wird.
Die DE 196 47 590 A1 betrifft ein Hochleistungshalbleitermodul, wobei zwischen einem Keramiksubstrat und einer Grundplatte eine Zwischenplatte angeordnet ist, wobei die Zwischenplatte aus einem Material mit einem bestimmten thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht, welcher von der Größe zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kera miksubstrats und dem der Grundplatte liegt. Das Keramiksubstrat ist mit der Oberseite der Zwischenplatte und die Grundplatte ist mit der Unterseite der Zwischenplatte stoffschlüssig verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungshalbleitermodul zu schaffen, bei welchem auf besonders einfache, zuverlässige und gleichwohl kostengünstige Art und Weise eine langzeitstabile und wechsellastbeständige Verbindung zwischen Substraten vorgesehener Halbleitereinheiten auf als Träger dienenden Bodenplatten erreicht werden kann.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einem Leistungshalbleitermodul erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafter Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird ein Leistungshalbleitermodul mit mindestens einer Halbleitereinheit und mit einer Bodenplatte als Träger geschaffen. Die jeweilige Halbleitereinheit besteht aus einem Substrat mit einer Oberseite und einer Unterseite. Auf der Oberseite des Substrats ist mindestens ein Halbleiterbauelement vorgesehen. Die Bodenplatte besitzt ihrerseits eine Oberseite, auf welcher die jeweilige Halbleitereinheit mit ihrer Unterseite, also mit der Unterseite des jeweiligen Substrats der Halbleitereinheit aufgebracht ist. Erfindungsgemäß ist die Bodenplatte mit oder aus einem Verbundwerkstoff gebildet, welches aus einem Metallmaterial besteht und welches mit mindestens einem Einsatz mit oder aus einem AlSiC-Material im Metallmaterial versehen ist. Das Metallmaterial ist als Grundkörper der Bodenplatte ausgebildet. Der mindestens eine Einsatz ist lokal im Metallmaterial ausgebildet. Der jeweilige Einsatz durchmisst die Bodenplatte in ihrer Schicht oder Schichtstärke vollständig.
Es ist somit eine Idee der vorliegenden Erfindung, eine bei einem Leistungshalbleitermodul vorgesehene Bodenplatte aus einem Verbundwerkstoff zu bilden, der aus einem Metallmaterial einerseits und aus einem AlSiC-Material andererseits besteht, so dass dadurch eine thermomechanische Anpassung zwischen der Bodenplatte einerseits und dem Substrat der Halbleitereinheit andererseits im Hinblick auf die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten erfolgt und folglich die thermomechanische Beanspruchung im Bereich der Grenzfläche zwischen der Oberseite der Bodenplatte als Träger und der Unterseite des Substrats der Halbleitereinheit reduziert wird, so dass infolge das Auftreten von Rissbildungen oder Ablösevorgängen reduziert wird.
Es wird also ein Leistungshalbleitermodul geschaffen mit mindestens einer Halbleitereinheit, bestehend aus einem Substrat und mindestens einem auf der Oberseite des Substrats vorgesehenen Halbleiterbauelement, und mit einer Bodenplatte als Träger, auf deren Oberseite die jeweilige Halbleitereinheit mit der Unterseite des jeweiligen Substrats aufgebracht ist, bei welchem die Bodenplatte mit oder aus einem Verbundwerkstoff mit einem Metallmaterial und mit mindestens einem Einsatz mit oder aus einem AlSiC-Material im und/oder auf dem Metallmaterial ausgebildet ist.
Das Metallmaterial ist vorzugsweise gut wärmeleitfähig.
Das Metallmaterial ist weiter bevorzugt spanend bearbeitbar.
Das Metallmaterial kann mit oder aus einem oder mehreren Materialien aus der Gruppe ausgebildet sein, die gebildet wird von Kupfer, Aluminium, Stahl, Gusseisen und deren Mischungen oder Legierungen.
Das AlSiC-Material kann hinsichtlich der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Metallmaterials und des jeweiligen Substrats oder dessen Unterseite angepasst ausgebildet sein.
Eine derartige Anpassung ergibt sich zum Beispiel daraus, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient λ_AlSic des AlSiC-Materials einerseits größer gewählt wird als der thermische Ausdehnungskoeffizient λ_DBC des Substrats und andererseits kleiner gewählt wird als der thermische Ausdehnungskoeffizient λ_Cu des Metallmaterials, zum Beispiel aus Kupfer bestehend. Es ergibt sich somit insbesondere die nachfolgende Beziehung (1)
wobei
der thermische Ausdehnungskoeffizient für Aluminiumoxid ist und in etwa auf Grund der Keramikstruktur dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten λ_DCB des Substrats entspricht. Es gelten noch die folgenden Wertebeziehungen (2) und (3):
Der Wert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten λ_AlSiC des AlSiC-Materials kann zwischen dem Wert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Metallmaterials und dem Wert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substrats λ_DBC oder dessen Unterseite liegen.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient λ_AlSiC des AlSiC-Materials kann durch den Anteil an SiC, zum Beispiel in Form von so genannten SiC-Flakes, im Verhältnis zum einhüllenden Aluminium eingestellt werden. Der Wert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten λ_AlSiC des AlSiC-Materials sollte mög lichst nahe dem Wert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substrats λ_DCB des Substrats liegen.
Der jeweilige Einsatz kann einen Teil der Oberseite der Bodenplatte bilden.
Der jeweilige Einsatz kann in vorteilhafter Weise einen Teil der Oberseite der Bodenplatte bilden, welcher den Teil der Oberseite der Bodenplatte überdeckt oder enthält, welcher der Unterseite mindestens eines Substrats oder eines Teils davon, einer oder mehrerer Kanten der Unterseite mindestens eines Substrats und/oder einer oder mehrerer Ecken der Unterseite eines oder mehrerer Substrate gegenüberliegt, insbesondere im Bereich einer jeweiligen Schweißnaht zwischen einem Substrat und der Oberseite der Bodenplatte oder im Bereich eines Teils einer derartigen Schweißnaht.
Es können mehrere Einsätze zueinander lateral beabstandet in oder an der Oberseite der Bodenplatte vorgesehen sein.
Der jeweilige Einsatz kann im Querschnitt horizontal zur Oberseite der Bodenplatte rechteckig, quadratisch, kreisförmig, elliptisch, streifenförmig oder als Randbereich, Rahmen oder Ausschnitt einer entsprechenden geometrischen Figur ausgebildet sein.
Der jeweilige Einsatz kann am oder im Metallmaterial mittels einer Verbindung über Reibschweißen oder anderer Schweißverfahren verbunden sein.
Die Oberseite der Bodenplatte und die Unterseite eines jeweiligen Substrats können planar ausgebildet sein.
Diese und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden auch anhand der nachstehenden Erläuterungen weiter beschrieben.
Die Erfindung betrifft insbesondere unter anderem auch Maßnahmen zur Verbesserung der Lastwechselfestigkeit in Leistungshalbleitermodulen.
In leistungselektronischen Modulen stellen die so genannten Substrate, das sind die Träger der Halbleiterbauelemente (IGBTs, Dioden etc.) einzelne Einheiten dieser Module dar. Das gesamte Modul besteht im Allgemeinen aus einer Anzahl mehrerer Substrate, die auf eine Trägerplatte, der so genannten Bodenplatte, montiert werden. Als Montagetechnik wird das Weichlöten verwendet. Die dabei gebildete Verbindung heißt Lotverbindung oder Verbindungsschicht. Die Substrate sind im Allgemeinen Keramiksubstrate, deren Oberseite und Unterseite metallisiert ist. Ein Beispiel für eine derartige Keramik ist z. B. ein DCB-Substrat (DCB – direct copper bonding).
Durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Materialien, insbesondere zwischen Bodenplatte und Keramik, treten während des Modulbetriebs durch die zyklisch auftretende elektrische Verlustwärme Spannungen in der Verbindungsschicht auf. Diese Spannungen führen nach einer bestimmten Anzahl von thermischen Zyklen zu einer Rissbildung und Rissausbreitung in der Lotschicht und damit verbunden zur Delamination des Substrates von der Bodenplatte. Dadurch steigt der thermische Widerstand zwischen Chip und Heatsink massiv an und es kommt zum Modulausfall.
Um die Lebensdauer der Module zu erhöhen, müssen die Rissbildung und Rissausbreitung in der Verbindungsschicht zwischen Bodenplatte und Substrat verhindert bzw. verlangsamt werden. Basierend auf einer Verbesserung der Bodenplatteneigenschaften beschreibt die vorliegende Erfindung eine Möglichkeit zur Verbesserung der Lebensdauer der beschriebenen Verbindungsschicht.
Seitens der Bodenplatten, die in Leistungshalbleitermodulen verwendet werden, gibt es derzeit zwei grundlegende Konzepte. In Industriemodulen werden in der Regel aufgrund der geringen Kosten Cu Bodenplatten eingesetzt. Problem der Cu Bodenplatten ist ihr Wärmeausdehnungskoeffizient von 16,5 ppm/K. Dieser Wert ist etwa doppelt so groß, wie der Wärmeausdehnungskoeffizient der Cu metallisierten Al₂O₃ Substrate (Al2O3: 8 ppm/K).
Gelöst wurde das Problem der frühzeitigen Delamination durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bisher lediglich in Modulen mit besonders hohen Anforderungen an die thermische Wechsellastfestigkeit. Dazu wurden anstatt der Cu Platten AlSiC Bodenplatten verwendet. Hierbei wird zunächst ein Sinter-Rohling aus SiC-Flakes hergestellt. Dieser Rohling wird dann mit Al ausgegossen. Vorteil dieser Bodenplatte ist, dass über die SiC-Flakes der Wärmeausdehnungskoeffizient angepasst werden kann. Nachteil sind im Vergleich zur Cu Bodenplatte die etwa viermal so hohen Kosten dieser Bodenplatten sowie die Tatsache, dass eine spanende Bearbeitung nicht möglich ist.
Die vorliegende Erfindung schlägt vor, die positiven Eigenschaften beider Bodenplatten-Typen miteinander zu vereinen. Dazu werden in den für die Substratdelamination kritischen Bereichen rund um die Substrate oder in den Substratecken (vgl. Zeichnung) passende AlSiC Platten in eine metallische Trägerplatte mit entsprechenden Aussparungen eingelassen und mit einem geeigneten Schweißverfahren (wie beispielsweise das Reibschweißen) mit dieser Trägerplatte verbunden.
Als Trägerplattenmaterial bieten sich alle Metalle an, die wie Cu eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen und dadurch eine gute Entwärmung der Substrate ermöglichen. Weiterer wichtiger Punkt ist, dass, im Gegensatz zur reinen AlSiC Bodenplatte, eine spanende Bearbeitung des Trägerplattenmaterials für die Weiterverarbeitung möglich wird.
Durch die Kombination eines kostengünstigen Trägerplattenmaterials (z. B. Cu) und die Verwendung von kleinen AlSiC Einsätzen werden die Kosten der Bodenplatte im Vergleich zur AlSiC Bodenplatte verringert und so der Einsatz auch in Modulen für Industrieanwendungen ermöglicht.
Die dadurch erreichbare thermische Wechsellastfestigkeit wird im Vergleich zur Cu Bodenplatte deutlich verbessert, da der Wärmeausdehnungskoeffizient in den kritischen Bereichen an die Ausdehnung des Keramiksubstrates angepasst wird.
Als Bodenplatte in Leistungshalbleitermodulen wird ein Verbundwerkstoff aus einem Metall (mit guter Wärmeleitfähigkeit und der Möglichkeit zur spanenden Bearbeitung) und AlSiC Einsätzen (mit einem angepassten Wärmeausdehnungskoeffizient) als Bodenplatte vorgeschlagen. Die AlSiC Einsätze haben einen Wärmeausdehnungskoeffizienten der an den des Keramiksubstrates angepasst ist und so eine frühzeitige Delamination der Substrate verhindert.
Diese und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden auch in Zusammenhang schematischer Figuren näher erläutert:
1A ist eine schematische und geschnittene Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
1B ist eine schematische und geschnittene Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform des Leistungshalbleitermoduls.
2 ist eine teilweise geschnittene Draufsicht auf die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls aus den 1A und 1B.
3 ist eine schematische und geschnittene Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
4 ist eine schematische und geschnittene Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
5 ist eine schematische und geschnittene Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
6 ist eine schematische und geschnittene Draufsicht auf eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
7 ist eine schematische und geschnittene Seitenansicht eines herkömmlichen Leistungshalbleitermoduls.
Nachfolgend werden funktional und/oder strukturell ähnliche, vergleichbare oder identische Elemente und Strukturen mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, ohne dass in jedem Fall ihres Auftretens eine detaillierte Erläuterung wiederholt wird.
Zur besseren Übersicht wird zunächst ein herkömmliches Leistungshalbleitermodul 1' vorgestellt.
7 zeigt in schematischer und geschnittener Seitenansicht ein herkömmliches Leistungshalbleitermodul 1'. Bei diesem herkömmlichen Leistungshalbleitermodul 1 ist auf der Oberfläche 15a einer herkömmlichen Bodenplatte 15, die als Träger dient, eine Halbleitereinheit 40 aufgebracht, wobei mittels einer Lotschicht 50 eine mechanische und thermisch leitfähige Verbindung hergestellt wird zwischen der Oberseite 15a oder Oberfläche 15a der herkömmlichen Bodenplatte 15 und der Unterseite 20a oder Unterfläche 20a des Substrats 20, welches der Halbleitereinheit 40 zugrunde liegt. Das Substrat 20 ist dabei in der Ausführungsform der 8 ein metallisiertes Keramiksubstrat, also eine Abfolge zweier Metallisierungsschichten 21 und 23, zwischen denen eine Keramikschicht 22 vorgesehen ist. Es ist somit durch die Lotschicht 50 eine mechanische und thermisch leitfähige Verbindung hergestellt zwischen der Oberfläche 15a oder Oberseite 15a der herkömmlichen Bodenplatte 15 und der Unterseite 21b oder Unterfläche 21b der unteren Metallisierungsschicht 21 des Substrats 20, die als Unterseite 20b oder Unterfläche 20b des gesamten Substrats 20 fungiert. Auf der Oberseite 20a des Substrats 20, also auf der Oberseite 23a oder Oberfläche 23a der oberen Metallisierungsschicht 23 des Substrats 20 sind ein oder mehrere Halbleiterbauelemente 30 vorgesehen.
Kritische Bereiche für mögliche Rissbildungen oder Rissentstehungen bei lang andauernden und häufig wiederholten thermischen Wechsellasten sind bei dieser herkömmlichen Anordnung für ein Leistungshalbleitermodul 1' im Bereich der Grenzfläche zwischen der Unterseite 20b des Moduls 20 und der Oberseite 15a der herkömmlichen Bodenplatte 15, also im Bereich der Lotschicht 50 und dort insbesondere im Bereich der Ecken 20e und Kanten 20k zu sehen, weil dort die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials 15' der herkömmlichen Bodenplatte und des Materials 21' der unteren Metallisierungsschicht 21 des Substrats 20 besonders stark zum Tragen kommen.
1A zeigt im Gegensatz dazu ebenfalls in schematischer und geschnittener Seitenansicht ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul 1. Bei diesem erfindungsgemäßen Leis tungshalbleitermodul 1 ist auf der Oberfläche 10a einer neuen Bodenplatte 10, die als Träger dient, eine Halbleitereinheit 40 aufgebracht, wobei mittels einer Lotschicht 50 eine mechanische und thermisch leitfähige Verbindung hergestellt wird zwischen der Oberseite 10a oder Oberfläche 10a der herkömmlichen Bodenplatte 10 und der Unterseite 20a oder Unterfläche 20a des Substrats 20, welches der Halbleitereinheit 40 zugrunde liegt. Das Substrat 20 ist dabei in der Ausführungsform der 1A ein metallisiertes Keramiksubstrat, also eine Abfolge zweier Metallisierungsschichten 21 und 23, zwischen denen eine Keramikschicht 22 vorgesehen ist. Es ist somit durch die Lotschicht 50 eine mechanische und thermisch leitfähige Verbindung hergestellt zwischen der Oberfläche 15a oder Oberseite 10a der herkömmlichen Bodenplatte 10 und der Unterseite 21b oder Unterfläche 21b der unteren Metallisierungsschicht 21 des Substrats 20, die als Unterseite 20b oder Unterfläche 20b des gesamten Substrats 20 fungiert. Auf der Oberseite 20a des Substrats 20, also auf der Oberseite 23a oder Oberfläche 23a der oberen Metallisierungsschicht 23 des Substrats 20 sind ein oder mehrere Halbleiterbauelemente 30 vorgesehen.
Im Gegensatz zum bekannten Leistungshalbleitermodul gemäß 7 ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung für ein Leistungshalbleitermodul 1 gemäß der 1A die Bodenplatte 10 aus einem Verbundwerkstoff gebildet. In der Ausführungsform der 1A wird die Bodenplatte 10 von einem Grundkörper 11 aus einem Metallmaterial 11' gebildet. Dabei ist unterhalb der Lotschicht 50 im Oberflächenbereich 10a eine Ausnehmung 11z in Material 11' des Grundkörpers 11 vorgesehen. Diese Ausnehmung 11z im Metallmaterial 11' des Grundkörpers 11 ist mit einem Einsatz 12 versehen, welcher erfindungsgemäß aus einem AlSiC-Material besteht und dessen Oberfläche 12a bündig mit der Oberfläche 11a des Grundkörpers 11 abschließt, so dass sich eine planare Oberfläche 10a der erfindungsgemäßen Bodenplatte 10 ergibt.
Aus der 1A erkennt man auch, dass derjenige Teil 10a' der Oberfläche 10a der Bodenplatte 10, welcher der Unterseite 20b des Substrats 20 und somit der Lotschicht 50 direkt gegenüberliegt und von diesem praktisch bedeckt wird, von demjenigen Teil 10a'' der Oberfläche 10a der Bodenplatte 10 echt überdeckt wird, d. h. mehr als vollständig überdeckt wird, welcher vom Oberflächenbereich 12a des Einsatzes 12 gebildet wird. Dadurch werden erfindungsgemäß auch die Eckbereiche 20e und die Kantenbereiche 20k durch die Oberfläche 12a des Al-SiC-Materials mit abgedeckt, nämlich diejenigen Bereiche, bei welchen herkömmlicherweise eine besonders hohe Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Rissen besteht.
Bei der 1A durchmisst die Ausnehmung 11z in vertikaler Richtung die Schichtstärke des Metallmaterials 11' des Grundkörpers 11 vollständig, so dass die Rückseite 12b des Einsatzes 12 auch mit der Rückseite 10b der Bodenplatte oder 11b des Grundkörpers 11 bündig abschließt.
Bei der nicht beanspruchten Ausführungsform der 1B besteht ein Unterschied zur Ausführungsform der 1A dahingehend, dass dort die Ausnehmung 11z das Metallmaterial 11' in vertikaler Richtung des Grundkörpers 11 nicht vollständig durchmisst, so dass die Rückseite 11b des Einsatzes 12 von Metallmaterial 11' des Grundkörpers 11 bedeckt bleibt.
Die 2 zeigt in schematischer und teilweise geschnittener Draufsicht ebenfalls eine erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul 1, wobei auch noch einmal Details der Anordnung aus den 1A und 1B verdeutlicht werden.
Die Bodenplatte 10 ist wieder aus einem Verbundwerkstoff gebildet. In der Ausführungsform der 2 wird die Bodenplatte 10 wieder von einem Grundkörper 11 aus einem Metallmaterial 11' gebildet. Dabei ist unterhalb der Lotschicht 50 im O berflächenbereich 10a eine Ausnehmung 11z in Material 11' des Grundkörpers 11 vorgesehen. Diese Ausnehmung 11z im Metallmaterial 11' des Grundkörpers 11 ist mit einem Einsatz 12 versehen, welcher erfindungsgemäß aus einem AiSiC-Material besteht und dessen Oberfläche 12a bündig mit der Oberfläche 11a des Grundkörpers 11 abschließt, so dass sich eine planare Oberfläche 10a der erfindungsgemäßen Bodenplatte 10 ergibt. Auch hier ist das mehr als vollständige Überdecken des Bereichs der Lotschicht 50 in der Oberfläche 10a der Bodenplatte 10, d. h. also des Teils 10a' durch denjenigen Teil 10a'' der Oberseite 10a der Bodenplatte 10, welcher durch die Oberfläche 12a des Einsatzes 12 definiert wird, gezeigt. Erkennbar sind hier auch die Schweißnähte 13 als Kontaktmittel zum Befestigen des Einsatzes 12 im Oberflächenbereich 10a der Bodenplatte.
In ähnlicher Art und Weise zeigen die 3 bis 6 in schematischer und geschnittener Draufsicht verschiedene Ausführungsformen oder Layoutvarianten der AlSiC-Einsätze 12 im Oberflächenbereich 10a der Bodenplatte 10 und die darüber angeordneten metallisierten Keramiksubstrate 20.
Bei der Ausführungsform der 3 sind auf der Bodenplatte vier Substrate 20 angeordnet, weisen eine quadratische oder rechteckige Form auf und sind nach unten hin derart vollständig auf den Einsätzen 12, die im Übrigen eine entsprechende Form aufweisen, abgedeckt, dass die Ecken 20e und die Kantenbereiche 20k der Unterseite 20b der Substrate 20 jeweils mit abgedeckt sind.
Ansonsten liegen viele Gemeinsamkeiten zu den Ausführungsformen der 1 und 2 vor. Die Bodenplatte 10 ist wieder aus einem Verbundwerkstoff gebildet. In der Ausführungsform der 3 wird die Bodenplatte 10 wieder von einem Grundkörper 11 aus einem Metallmaterial 11' gebildet. Dabei ist unterhalb der Lotschicht 50 im Oberflächenbereich 10a eine Ausnehmung 11z in Material 11' des Grundkörpers 11 vorgesehen. Diese Ausnehmung 11z im Metallmaterial 11' des Grundkörpers 11 ist mit einem Einsatz 12 versehen, welcher erfindungsgemäß aus einem AlSiC-Material besteht und dessen Oberfläche 12a bündig mit der Oberfläche 11a des Grundkörpers 11 abschließt, so dass sich eine planare Oberfläche 10a der erfindungsgemäßen Bodenplatte 10 ergibt.
Bei der Ausführungsform der 4 sind die Einsätze 12 kleiner dimensioniert, rechteckig ausgebildet und weisen ausschließlich eine Abdeckung der Eckbereiche 20e und einen Teil der Kantenbereiche 20k auf.
Ansonsten liegen wieder viele Gemeinsamkeiten mit den Ausführungsformen der 1 bis 3 vor. Die Bodenplatte 10 ist wieder aus einem Verbundwerkstoff gebildet. In der Ausführungsform der 4 wird die Bodenplatte 10 wieder von einem Grundkörper 11 aus einem Metallmaterial 11 gebildet. Dabei ist unterhalb der Lotschicht 50 im Oberflächenbereich 10a eine Ausnehmung 11z in Material 11' des Grundkörpers 11 vorgesehen. Diese Ausnehmung 11z im Metallmaterial 11' des Grundkörpers 11 ist mit einem Einsatz 12 versehen, welcher erfindungsgemäß aus einem AlSiC-Material besteht und dessen Oberfläche 12a bündig mit der Oberfläche 11a des Grundkörpers 11 abschließt, so dass sich eine planare Oberfläche 10a der erfindungsgemäßen Bodenplatte 10 ergibt.
Bei der Ausführungsform der 5 sind ebenfalls nur die Eckbereiche 20e und Teile der Kantenbereiche 20k abgedeckt, wobei jedoch die Einsätze 12 eine Kreisform besitzen.
Die Bodenplatte 10 ist wieder aus einem Verbundwerkstoff gebildet. In der Ausführungsform der 5 wird die Bodenplatte 10 wieder von einem Grundkörper 11 aus einem Metallmaterial 11' gebildet. Dabei ist unterhalb der Lotschicht 50 im Oberflächenbereich 10a eine Ausnehmung 11z in Material 11' des Grundkörpers 11 vorgesehen. Diese Ausnehmung 11z im Metallmaterial 11 des Grundkörpers 11 ist mit einem Einsatz 12 versehen, welcher erfindungsgemäß aus einem AlSiC-Material besteht und dessen Oberfläche 12a bündig mit der Oberfläche 11a des Grundkörpers 11 abschließt, so dass sich eine planare Oberfläche 10a der erfindungsgemäßen Bodenplatte 10 ergibt.
Bei der Ausführungsform der 6 sind streifenförmige Einsätze 12 vorgesehen, welche Teile der vertikalen Kanten 20k sowie die Eckbereiche 20e der Substratunterseiten 20b der Substrate abdecken.
Die Bodenplatte 10 ist erneut aus einem Verbundwerkstoff geformt. In der Ausführungsform der 5 wird die Bodenplatte 10 wieder von einem Grundkörper 11 aus einem Metallmaterial 11' gebildet. Dabei ist unterhalb der Lotschicht 50 im Oberflächenbereich 10a eine Ausnehmung 11z in Material 11' des Grundkörpers 11 vorgesehen. Diese Ausnehmung 11z im Metallmaterial 11' des Grundkörpers 11 ist mit einem Einsatz 12 versehen, welcher erfindungsgemäß aus einem AlSiC-Material besteht und dessen Oberfläche 12a bündig mit der Oberfläche 11a des Grundkörpers 11 abschließt, so dass sich eine planare Oberfläche 10a der erfindungsgemäßen Bodenplatte 10 ergibt.

1: Leistungshalbleitermodul gemäß der vorliegenden Erfindung
1: herkömmliches Leistungshalbleitermodul
10: Bodenplatte
10a: Oberseite, Oberfläche
10b: Unterseite, Unterfläche
10z: Ausnehmung
11: Grundkörper
11': Material des Grundkörpers, Metallmaterial
11a: Oberseite, Oberfläche
12: Einsatz
12': Material des Einsatzes, AlSiC-Material
13: Schweißnaht, Befestigungsmittel
15: herkömmliche Bodenplatte
15': Material der herkömmlichen Bodenplatte
15a: Oberseite, Oberfläche
15b: Unterseite, Unterfläche
20: Substrat
20a: Oberseite, Oberfläche
20b: Unterseite, Unterfläche
20e: Eckbereich
20k: Kantenbereich
21: erster Metallbereich, erste Metallschicht
21b: Unterseite, Unterfläche
22: Keramikschicht
23: zweite Metallschicht, zweite Metallisierung, obere Metallschicht, obere Metallisierung
23a: Oberseite, Oberfläche
30: Halbleiterbauteil, Leistungshalbleiterbauteil
40: Halbleitereinheit
50: Lotmittel, Lotschicht

Claims

Leistungshalbleitermodul, – mit mindestens einer Halbleitereinheit (40), bestehend aus einem Substrat (20) und mindestens einem auf der Oberseite (20a) des Substrats (20) vorgesehenen Halbleiterbauelement (30), und – mit einer Bodenplatte (10) als Träger, auf deren Oberseite (10a) die jeweilige Halbleitereinheit (40) mit der Unterseite (20b) des jeweiligen Substrats (20) aufgebracht ist, – bei welchem die Bodenplatte (10) mit oder aus einem Verbundwerkstoff (10') mit einem Metallmaterial (11') und mit mindestens einem Einsatz (12) mit oder aus einem AlSiC-Material (12') im Metallmaterial (11') ausgebildet ist, – bei welchem das Metallmaterial (11') als Grundkörper (11) der Bodenplatte (10) ausgebildet ist, – bei welchem der mindestens eine Einsatz (12) lokal im Metallmaterial (11') ausgebildet ist und – bei welchem der jeweilige Einsatz (12) die Bodenplatte (10) in ihrer Schichtstärke vollständig von der Oberseite (10a) zur Unterseite (10b) durchmisst.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, bei welchem das Metallmaterial (11') spanend bearbeitbar ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das Metallmaterial (11') mit oder aus einem oder mehreren Materialien aus der Gruppe ausgebildet ist, die gebildet wird von Kupfer, Aluminium, Stahl, Gusseisen und deren Mischungen oder Legierungen.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das AlSiC-Material (12') hinsichtlich der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Metallmaterials (11') und des jeweiligen Substrats (20) oder dessen Unterseite (20b) angepasst ausgebildet ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der Wert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des AlSiC-Materials (12') zwischen dem Wert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Metallmaterials (11') und dem Wert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substrats (20) oder dessen Unterseite (20b) liegt.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der jeweilige Einsatz (12) einen Teil der Oberseite (10a) der Bodenplatte (10) bildet.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der jeweilige Einsatz (12) einen Teil (10a'') der Oberseite (10a) der Bodenplatte (10) bildet, welcher den Teil (10a') der Oberseite (10a) der Bodenplatte überdeckt oder enthält, welcher der Unterseite (20b) mindestens eines Substrats (20) oder eines Teils davon, einer oder mehrerer Kanten (20k) der Unterseite (20b) mindestens eines Substrats (20) und/oder einer oder mehrerer Ecken (20e) der Unterseite (20b) eines oder mehrerer Substrate (20) gegenüberliegt, insbesondere im Bereich einer jeweiligen Schweißnaht zwischen einem Substrat (20) und der Oberseite (10a) der Bodenplatte (10) oder im Bereich eines Teils einer derartigen Schweißnaht.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem mehrere Einsätze (12) zueinander lateral beabstandet (10) vorgesehen sind.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der jeweilige Einsatz (12) im Querschnitt horizontal zur Oberseite (10a) der Bodenplatte (10) rechteckig, quadratisch, kreisförmig, elliptisch, streifenförmig oder als Randbereich, Rahmen oder Ausschnitt einer entsprechenden geometrischen Figur ausgebildet ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der jeweilige Einsatz (12) am oder im Metallmaterial (11') mittels einer Verbindung (13) über Reibschweißen oder andere Schweißverfahren verbunden ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Oberseite (10a) der Bodenplatte (10) und die Unterseite (20b) eines jeweiligen Substrats (20) planar ausgebildet sind.