DE102006009978B4 - The power semiconductor module - Google Patents

The power semiconductor module Download PDF

Info

Publication number
DE102006009978B4
DE102006009978B4 DE102006009978A DE102006009978A DE102006009978B4 DE 102006009978 B4 DE102006009978 B4 DE 102006009978B4 DE 102006009978 A DE102006009978 A DE 102006009978A DE 102006009978 A DE102006009978 A DE 102006009978A DE 102006009978 B4 DE102006009978 B4 DE 102006009978B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
bottom plate
substrate
power semiconductor
semiconductor module
metal material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE102006009978A
Other languages
German (de)
Other versions
DE102006009978A1 (en
Inventor
Karsten Dr. Guth
Mark Nils Münzer
Thomas Dr. Licht
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Priority to DE102006009978A priority Critical patent/DE102006009978B4/en
Publication of DE102006009978A1 publication Critical patent/DE102006009978A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102006009978B4 publication Critical patent/DE102006009978B4/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3736Metallic materials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/03Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
    • H01L25/04Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L25/07Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
    • H01L25/072Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00 the devices being arranged next to each other
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

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.
The power semiconductor module,
- With at least one semiconductor unit (40), consisting of a substrate (20) and at least one provided on the top (20 a) of the substrate (20) semiconductor device (30), and
- With a bottom plate (10) as a carrier, on the upper side (10 a), the respective semiconductor unit (40) with the underside (20 b) of the respective substrate (20) is applied,
- In which the bottom plate (10) with or made of a composite material (10 ') with a metal material (11') and at least one insert (12) with or made of an AlSiC material (12 ') in the metal material (11') is
- In which the metal material (11 ') as a base body (11) of the bottom plate (10) is formed,
- In which the at least one insert (12) locally in the metal material (11 ') is formed and
- In which the respective insert (12) the bottom plate (10) in its layer thickness completely from the top (10 a) to the bottom (10 b) durchmisst.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul und insbesondere unter anderem Maßnahmen zur Verbesserung der Lastwechselfestigkeit bei Leistungshalbleitermodulen.The The present invention relates to a power semiconductor module and in particular, inter alia, measures for improving the fatigue strength of power semiconductor modules.

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.at the development and improvement of power semiconductor modules play in the context of fulfillment functional integrity requirements, and aspects of durability the function and structure of power semiconductor modules so-called alternating loads play a big role. This is in general the ability a power semiconductor module meant the changing thermal Stresses on the different and joined material compositions to be fair. Due to different thermal expansion coefficients directly adjacent or over intermediate layers indirectly coupled materials often cause problems with regard to the mechanical stability of layered structures and their connections to each other.

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.So is it z. B. known that power semiconductor modules, in which Semiconductor units with their underlying substrate on one as a carrier serving base plate, with regard to the long-term stability of the connection between base plate as a carrier and the substrate of the semiconductor units arranged thereon have defects, the only by specific and elaborate activities and only partially compensated or remedied.

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.The US Pat. No. 6,473,303 B2 relates to a cooling device for a power semiconductor module, which consists of two parts, wherein the lower part has a recess in which an upper part is arranged introduced. An envisaged cooling plate of the upper part may comprise as material AlSiC. The lower part of the cooling device consists for example of a metal, for example aluminum or copper. Intended semiconductor components are applied directly to the upper part of the cooling device, without the need for a special substrate.

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.The DE 197 35 531 A1 introduces a power semiconductor module with coolers built into submodules. The submodules have a substrate, on the upper side of which a respective semiconductor chip and on the underside of which a cooler are arranged. The cooler has a first heat sink, which may consist of AlSiC. This heat sink is incorporated with cooler structures connected to it in a recess of a plastic housing.

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.The DE 103 31 453 A1 relates to a method for producing at least one thermal bridge in a substrate, wherein at least one recess is or is produced in the substrate in which at least one thermally conductive body is introduced into the projection, wherein the outer dimensions of the thermally conductive body are smaller than the internal dimensions of the Recess, so that the thermally conductive body is spaced after insertion into the recess of the edge of the recess. There is provided a deformation of the thermally conductive body for frictional connection between the body and the edge of the recess, through which the thermally conductive body is fixed in the recess or is.

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.The DE 196 47 590 A1 relates to a high-power semiconductor module, wherein between a ceramic substrate and a base plate, an intermediate plate is arranged, wherein the intermediate plate consists of a material having a certain coefficient of thermal expansion, which is the size between the coefficient of thermal expansion of Kera miksubstrats and the base plate. The ceramic substrate is connected to the top of the intermediate plate and the base plate is firmly bonded to the underside of the intermediate plate.

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.Of the Invention is based on the object, a power semiconductor module to create, in which on particularly simple, reliable and nevertheless inexpensive Way a long-term stable and changer load resistant connection between substrates provided semiconductor units serving as a carrier Floor panels can be achieved.

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.The The object underlying the invention is in a power semiconductor module according to the invention the characteristics of the independent Patent claim 1 solved. Advantageous developments of the power semiconductor module according to the invention are the subject of the respective dependent claims.

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.According to the invention, a power semiconductor module with at least one semiconductor unit and with a bottom plate as carrier is provided. The respective semiconductor unit consists of a substrate with a Top and bottom. At least one semiconductor component is provided on the upper side of the substrate. The bottom plate in turn has an upper side, on which the respective semiconductor unit is applied with its underside, that is to say with the underside of the respective substrate of the semiconductor unit. According to the invention the bottom plate is formed with or from a composite material which consists of a metal material and which is provided with at least one insert with or made of an AlSiC material in the metal material. The metal material is formed as a base body of the bottom plate. The at least one insert is formed locally in the metal material. The respective application completely measures the base plate in its layer or layer thickness.

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.It is thus an idea of the present invention, one in a power semiconductor module provided bottom plate of a composite material, the from a metal material on the one hand and from an AlSiC material on the other hand, so that thereby a thermo-mechanical adaptation between the bottom plate on the one hand and the substrate of the semiconductor unit on the other hand, with regard to the different thermal expansion coefficients takes place and consequently the thermomechanical stress in the interface between the top of the bottom plate as a carrier and the bottom of the Substrate of the semiconductor unit is reduced, so that as a result the occurrence of cracking or detachment is reduced.

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.It Thus, a power semiconductor module is created with at least a semiconductor unit consisting of a substrate and at least a semiconductor device provided on the upper surface of the substrate, and with a bottom plate as a carrier, on top of which the respective semiconductor unit with the underside of the respective substrate is applied, wherein the bottom plate with or from a composite material with a metal material and with at least one insert with or made of an AlSiC material in and / or is formed on the metal material.

Das Metallmaterial ist vorzugsweise gut wärmeleitfähig.The Metal material is preferably good thermal conductivity.

Das Metallmaterial ist weiter bevorzugt spanend bearbeitbar.The Metal material is more preferably machinable.

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.The Metal material may be made with or from one or more materials be formed from the group formed by copper, aluminum, Steel, cast iron and their mixtures or alloys.

Das AlSiC-Material kann hinsichtlich der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Metallmaterials und des jeweiligen Substrats oder dessen Unterseite angepasst ausgebildet sein.The AlSiC material may be in terms of thermal expansion coefficient the metal material and the respective substrate or its underside adapted to be trained.

Eine derartige Anpassung ergibt sich zum Beispiel daraus, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient λAlSic des AlSiC-Materials einerseits größer gewählt wird als der thermische Ausdehnungskoeffizient λDBC des Substrats und andererseits kleiner gewählt wird als der thermische Ausdehnungskoeffizient λCu des Metallmaterials, zum Beispiel aus Kupfer bestehend. Es ergibt sich somit insbesondere die nachfolgende Beziehung (1)

Figure 00050001
wobei
Figure 00050002
der thermische Ausdehnungskoeffizient für Aluminiumoxid ist und in etwa auf Grund der Keramikstruktur dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten λDCB des Substrats entspricht. Es gelten noch die folgenden Wertebeziehungen (2) und (3):
Figure 00050003
Such an adaptation results, for example, from the fact that the thermal expansion coefficient λ AlSic of the AlSiC material is selected to be greater than the coefficient of thermal expansion λ DBC of the substrate and smaller than the coefficient of thermal expansion λ Cu of the metal material, for example consisting of copper , Thus, in particular, the following relationship (1) results.
Figure 00050001
in which
Figure 00050002
is the thermal expansion coefficient for aluminum oxide and corresponds approximately to the ceramic structure to the coefficient of thermal expansion λ DCB of the substrate. The following value relationships (2) and (3) apply:
Figure 00050003

Der Wert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten λAlSiC des AlSiC-Materials kann zwischen dem Wert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Metallmaterials und dem Wert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substrats λDBC oder dessen Unterseite liegen.The value of the thermal expansion coefficient λ AlSiC of the AlSiC material may be between the value of the coefficient of thermal expansion of a metal material and the coefficient of thermal expansion of the substrate λ DBC or its bottom surface.

Der thermische Ausdehnungskoeffizient λAlSiC 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 λAlSiC des AlSiC-Materials sollte mög lichst nahe dem Wert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substrats λDCB des Substrats liegen.The thermal expansion coefficient λ AlSiC of the AlSiC material can be adjusted by the proportion of SiC, for example in the form of so-called SiC flakes, in relation to the enveloping aluminum. The value of the thermal expansion coefficient λ AlSiC of the AlSiC material should be as close as possible to the value of the thermal expansion coefficient of the substrate λ DCB of the substrate.

Der jeweilige Einsatz kann einen Teil der Oberseite der Bodenplatte bilden.Of the each insert may be part of the top of the bottom plate form.

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.Of the each insert may advantageously be part of the top form the bottom plate, which covers the part of the top of the bottom plate or contains, which is the underside of at least one substrate or part thereof, one or more edges of the underside of at least one Substrate and / or one or more corners of the underside of a or more than one substrate, in particular in the region of a respective weld seam between a substrate and the top of the bottom plate or in the region of a part of a such weld.

Es können mehrere Einsätze zueinander lateral beabstandet in oder an der Oberseite der Bodenplatte vorgesehen sein.It can several inserts laterally spaced apart in or at the top of the bottom plate be.

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.Of the respective insert may be horizontal in cross-section to the top of the Base plate rectangular, square, circular, elliptical, strip-shaped or as border area, frame or section of a corresponding geometric Figure be formed.

Der jeweilige Einsatz kann am oder im Metallmaterial mittels einer Verbindung über Reibschweißen oder anderer Schweißverfahren verbunden sein.Of the each insert can be on or in the metal material by means of a connection via friction welding or other welding processes be connected.

Die Oberseite der Bodenplatte und die Unterseite eines jeweiligen Substrats können planar ausgebildet sein.The Top of the bottom plate and the bottom of each substrate can be formed planar.

Diese und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden auch anhand der nachstehenden Erläuterungen weiter beschrieben.These and other aspects of the present invention are also illustrated the following explanations further described.

Die Erfindung betrifft insbesondere unter anderem auch Maßnahmen zur Verbesserung der Lastwechselfestigkeit in Leistungshalbleitermodulen.The In particular, the invention also relates to measures for improving the fatigue strength in power semiconductor modules.

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).In power electronic modules provide the so-called substrates, These are the carriers the semiconductor devices (IGBTs, diodes, etc.) individual units of these modules. The entire module is generally made a number of multiple substrates placed on a support plate, the so-called Base plate, to be mounted. As a mounting technique, the soldering is used. The compound formed in this case is called solder connection or connecting layer. The substrates are generally ceramic substrates whose top surface and bottom is metallized. An example of such a ceramic is z. B. a DCB substrate (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.By the different expansion coefficients of the used Materials, in particular between base plate and ceramic occur while the module operation by the cyclically occurring electrical loss heat voltages in the connection layer. These voltages lead to a certain number of thermal cycles to cracking and crack propagation in the solder layer and associated delamination of the substrate from the bottom plate. This increases the thermal Resistance between chip and heatsink massive and it comes to Module failure.

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.Around To increase the life of the modules, cracking and crack propagation must be considered prevented in the bonding layer between the bottom plate and the substrate or slowed down. Based on an improvement in floor tile properties describes the present invention a way to improve the life of the connection layer described.

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).The bottom plates used in power semiconductor modules currently have two basic concepts. In industrial modules, Cu bottom plates are generally used due to the low cost. The problem with Cu floor tiles is their thermal expansion coefficient of 16.5 ppm / K. This value is about twice as large as the coefficient of thermal expansion of the Cu metallized Al 2 O 3 substrates (Al 2 O 3 : 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.The problem of early delamination was solved by the different Wärmeausdeh tion coefficients so far only in modules with particularly high demands on the thermal Wechsellastfestigkeit. For this purpose, AlSiC bottom plates were used instead of the Cu plates. Here, a sintered blank made of SiC flakes is first produced. This blank is then poured out with Al. The advantage of this base plate is that the thermal expansion coefficient can be adjusted via the SiC flakes. Disadvantage compared to the Cu bottom plate about four times as high cost of these floor panels and the fact that a machining is not possible.

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.The present invention proposes before, the positive properties of both types of floor slabs together to unite. These are in the for substrate delamination critical areas around the substrates or in the substrate corners (see drawing) suitable AlSiC plates in a metallic carrier plate recessed with appropriate recesses and with a suitable welding processes (Such as friction welding) with this carrier plate connected.

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.When Carrier plate material All metals offer themselves, which like Cu a very high thermal conductivity own and thereby allow a good heat dissipation of the substrates. Another important point is that, in contrast to the pure AlSiC base plate, a machining of the support plate material for the Further processing possible becomes.

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.By the combination of a cost-effective Carrier plate material (eg, Cu) and the use of small AlSiC inserts reduced the cost of the bottom plate compared to AlSiC bottom plate and so the use also in modules for Industrial applications allows.

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.The achievable thermal Wechsellastfestigkeit is compared significantly improved the Cu bottom plate, since the coefficient of thermal expansion in the critical areas to the extent of the ceramic substrate is adjusted.

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.When Base plate in power semiconductor modules becomes a composite material Made of a metal (with good thermal conductivity and the possibility for machining) and AlSiC inserts (with an adapted Thermal expansion coefficient) proposed as a base plate. The AlSiC inserts have a thermal expansion coefficient which is adapted to that of the ceramic substrate and so early Delamination of the substrates prevented.

Diese und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden auch in Zusammenhang schematischer Figuren näher erläutert:These and other aspects of the present invention are also related schematic figures closer explains:

1A ist eine schematische und geschnittene Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls. 1A is a schematic and sectional side view of a first embodiment of the power semiconductor module according to the invention.

1B ist eine schematische und geschnittene Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform des Leistungshalbleitermoduls. 1B is a schematic and sectional side view of a second embodiment of the power semiconductor module.

2 ist eine teilweise geschnittene Draufsicht auf die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls aus den 1A und 1B. 2 is a partially sectioned plan view of the embodiment of the power semiconductor module of the invention from the 1A and 1B ,

3 ist eine schematische und geschnittene Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls. 3 is a schematic and sectional plan view of a second embodiment of the power semiconductor module according to the invention.

4 ist eine schematische und geschnittene Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls. 4 is a schematic and sectional plan view of a third embodiment of the power semiconductor module according to the invention.

5 ist eine schematische und geschnittene Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls. 5 is a schematic and sectional plan view of a fourth embodiment of the power semiconductor module according to the invention.

6 ist eine schematische und geschnittene Draufsicht auf eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls. 6 is a schematic and sectional plan view of a fifth embodiment of the power semiconductor module according to the invention.

7 ist eine schematische und geschnittene Seitenansicht eines herkömmlichen Leistungshalbleitermoduls. 7 is a schematic and sectional side view of a conventional power semiconductor module.

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.Below are functionally and / or structurally similar, comparable or identical elements and structures are denoted by the same reference numerals without repeating a detailed explanation in each case of their occurrence.

Zur besseren Übersicht wird zunächst ein herkömmliches Leistungshalbleitermodul 1' vorgestellt.For a better overview, first a conventional power semiconductor module 1' presented.

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. 7 shows a schematic and sectional side view of a conventional power semiconductor module 1' , In this conventional power semiconductor module 1 is on the surface 15a a conventional floor plate 15 serving as a carrier, a semiconductor unit 40 applied, wherein by means of a solder layer 50 a mechanical and thermally conductive connection is made between the top 15a or surface 15a the conventional floor plate 15 and the bottom 20a or lower surface 20a of the substrate 20 , which is the semiconductor unit 40 underlying. The substrate 20 is in the embodiment of the 8th a metallized ceramic substrate, ie a sequence of two metallization layers 21 and 23 between which a ceramic layer 22 is provided. It is thus through the solder layer 50 a mechanical and thermally conductive connection made between the surface 15a or top 15a the conventional floor plate 15 and the bottom 21b or lower surface 21b the lower metallization layer 21 of the substrate 20 that as a base 20b or lower surface 20b of the entire substrate 20 acts. On the top 20a of the substrate 20 So on the top 23a or surface 23a the upper metallization layer 23 of the substrate 20 are one or more semiconductor devices 30 intended.

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.Critical areas for possible cracking or cracking in long lasting and frequently repeated thermal cycling loads are in this conventional arrangement for a power semiconductor module 1' in the area of the interface between the bottom 20b of the module 20 and the top 15a the conventional floor plate 15 , ie in the area of the solder layer 50 and there especially in the area of the corners 20e and edges 20k because there are the different thermal expansion coefficients of the material 15 ' the conventional base plate and the material 21 ' the lower metallization layer 21 of the substrate 20 especially strong.

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. 1A in contrast, also shows in schematic and sectional side view an inventive power semiconductor module 1 , In this power semiconductor module according to the invention 1 is on the surface 10a a new floor plate 10 serving as a carrier, a semiconductor unit 40 applied, wherein by means of a solder layer 50 a mechanical and thermally conductive connection is made between the top 10a or surface 10a the conventional floor plate 10 and the bottom 20a or lower surface 20a of the substrate 20 , which is the semiconductor unit 40 underlying. The substrate 20 is in the embodiment of the 1A a metallized ceramic substrate, ie a sequence of two metallization layers 21 and 23 between which a ceramic layer 22 is provided. It is thus through the solder layer 50 a mechanical and thermally conductive connection made between the surface 15a or top 10a the conventional floor plate 10 and the bottom 21b or lower surface 21b the lower metallization layer 21 of the substrate 20 that as a base 20b or lower surface 20b of the entire substrate 20 acts. On the top 20a of the substrate 20 So on the top 23a or surface 23a the upper metallization layer 23 of the substrate 20 are one or more semiconductor devices 30 intended.

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.In contrast to the known power semiconductor module according to 7 is in the inventive arrangement for a power semiconductor module 1 according to the 1A the bottom plate 10 formed from a composite material. In the embodiment of the 1A becomes the bottom plate 10 from a main body 11 from a metal material 11 ' educated. It is below the solder layer 50 in the surface area 10a a recess 11z in material 11 ' of the basic body 11 intended. This recess 11z in the metal material 11 ' of the basic body 11 is with an insert 12 provided, which according to the invention consists of an AlSiC material and its surface 12a flush with the surface 11a of the basic body 11 completes, leaving a planar surface 10a the bottom plate according to the invention 10 results.

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.From the 1A you also recognize that part 10a ' the surface 10a the bottom plate 10 which of the bottom 20b of the substrate 20 and thus the solder layer 50 directly opposite and practically covered by this part of 10a '' the surface 10a the bottom plate 10 is really covered, that is more than completely covered, which of the surface area 12a of the insert 12 is formed. As a result, according to the invention, the corner areas 20e and the edge areas 20k through the surface 12a of the Al-SiC material, namely those areas where there is conventionally a very high probability of the occurrence of cracks.

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.In the 1A measures the recess 11z in the vertical direction, the layer thickness of Metallm aterials 11 ' of the basic body 11 completely, leaving the back 12b of the insert 12 also with the back 10b the bottom plate or 11b of the basic body 11 flush.

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.In the unclaimed embodiment of the 1B There is a difference to the embodiment of the 1A to the effect that there the recess 11z the metal material 11 ' in the vertical direction of the body 11 not completely durchmisst, so that the back 11b of the insert 12 of metal material 11 ' of the basic body 11 remains covered.

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.The 2 shows in schematic and partially cut plan view also an inventive power semiconductor module 1 , where again details of the arrangement of the 1A and 1B be clarified.

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.The bottom plate 10 is again formed from a composite material. In the embodiment of the 2 becomes the bottom plate 10 again from a body 11 from a metal material 11 ' educated. It is below the solder layer 50 in the surface area 10a a recess 11z in material 11 ' of the basic body 11 intended. This recess 11z in the metal material 11 ' of the basic body 11 is with an insert 12 provided, which according to the invention consists of an AiSiC material and its surface 12a flush with the surface 11a of the basic body 11 completes, leaving a planar surface 10a the bottom plate according to the invention 10 results. Again, this is more than complete coverage of the area of the solder layer 50 in the surface 10a the bottom plate 10 ie the part 10a ' by that part 10a '' the top 10a the bottom plate 10 passing through the surface 12a of the insert 12 is defined. Visible here are the welds 13 as a contact means for securing the insert 12 in the surface area 10a the bottom plate.

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.In a similar way, the show 3 to 6 in schematic and sectional plan view of various embodiments or layout variants of AlSiC inserts 12 in the surface area 10a the bottom plate 10 and the overlying metallized ceramic substrates 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.In the embodiment of the 3 are four substrates on the bottom plate 20 arranged, have a square or rectangular shape and are down so completely on the inserts 12 , which, moreover, have a corresponding shape, covered that the corners 20e and the edge areas 20k the bottom 20b the substrates 20 each are covered with.

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.Otherwise there are many similarities to the embodiments of the 1 and 2 in front. The bottom plate 10 is again formed from a composite material. In the embodiment of the 3 becomes the bottom plate 10 again from a body 11 from a metal material 11 ' educated. It is below the solder layer 50 in the surface area 10a a recess 11z in material 11 ' of the basic body 11 intended. This recess 11z in the metal material 11 ' of the basic body 11 is with an insert 12 provided, which according to the invention consists of an AlSiC material and its surface 12a flush with the surface 11a of the basic body 11 completes, leaving a planar surface 10a the bottom plate according to the invention 10 results.

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.In the embodiment of the 4 are the stakes 12 smaller dimensioned, rectangular and have only a cover of the corner areas 20e and a part of the edge areas 20k on.

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.Otherwise, there are again many similarities with the embodiments of 1 to 3 in front. The bottom plate 10 is again formed from a composite material. In the embodiment of the 4 becomes the bottom plate 10 again from a body 11 from a metal material 11 educated. It is below the solder layer 50 in the surface area 10a a recess 11z in material 11 ' of the basic body 11 intended. This recess 11z in the metal material 11 ' of the basic body 11 is with an insert 12 provided, which according to the invention consists of an AlSiC material and its surface 12a flush with the surface 11a of the basic body 11 completes, leaving a planar surface 10a the bottom plate according to the invention 10 results.

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.In the embodiment of the 5 are also just the corner areas 20e and parts of the edge areas 20k covered, however, the stakes 12 have a circular shape.

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.The bottom plate 10 is again formed from a composite material. In the embodiment of the 5 becomes the bottom plate 10 again from a body 11 from a metal material 11 ' educated. It is below the solder layer 50 in the surface area 10a a recess 11z in material 11 ' of the basic body 11 intended. This recess 11z in the metal material 11 of the basic body 11 is with an insert 12 provided, which according to the invention consists of an AlSiC material and its surface 12a flush with the surface 11a of the basic body 11 completes, leaving a planar surface 10a the bottom plate according to the invention 10 results.

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.In the embodiment of the 6 are strip-shaped inserts 12 provided which parts of the vertical edges 20k as well as the corner areas 20e the substrate bases 20b cover the substrates.

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.The bottom plate 10 is again formed from a composite material. In the embodiment of the 5 becomes the bottom plate 10 again from a body 11 from a metal material 11 ' educated. It is below the solder layer 50 in the surface area 10a a recess 11z in material 11 ' of the basic body 11 intended. This recess 11z in the metal material 11 ' of the basic body 11 is with an insert 12 provided, which according to the invention consists of an AlSiC material and its surface 12a flush with the surface 11a of the basic body 11 completes, leaving a planar surface 10a the bottom plate according to the invention 10 results.

11
Leistungshalbleitermodul gemäß der vorliegenden ErfindungThe power semiconductor module according to the present invention
11
herkömmliches Leistungshalbleitermodulconventional The power semiconductor module
1010
Bodenplattebaseplate
10a10a
Oberseite, Oberflächetop, surface
10b10b
Unterseite, UnterflächeBottom, undersurface
10z10z
Ausnehmungrecess
1111
Grundkörperbody
11'11 '
Material des Grundkörpers, Metallmaterialmaterial of the basic body, metal material
11a11a
Oberseite, Oberflächetop, surface
1212
Einsatzcommitment
12'12 '
Material des Einsatzes, AlSiC-Materialmaterial of use, AlSiC material
1313
Schweißnaht, BefestigungsmittelWeld seam, fasteners
1515
herkömmliche Bodenplatteconventional baseplate
15'15 '
Material der herkömmlichen Bodenplattematerial the conventional one baseplate
15a15a
Oberseite, Oberflächetop, surface
15b15b
Unterseite, UnterflächeBottom, undersurface
2020
Substratsubstratum
20a20a
Oberseite, Oberflächetop, surface
20b20b
Unterseite, UnterflächeBottom, undersurface
20e20e
Eckbereichcorner
20k20k
Kantenbereichedge region
2121
erster Metallbereich, erste Metallschichtfirst Metal area, first metal layer
21b21b
Unterseite, UnterflächeBottom, undersurface
2222
Keramikschichtceramic layer
2323
zweite Metallschicht, zweite Metallisierung, obere Metallschicht, obere Metallisierungsecond Metal layer, second metallization, upper metal layer, upper metallization
23a23a
Oberseite, Oberflächetop, surface
3030
Halbleiterbauteil, LeistungshalbleiterbauteilSemiconductor device Power semiconductor device
4040
HalbleitereinheitSemiconductor unit
5050
Lotmittel, LotschichtSolder, solder layer

Claims (11)

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.Power semiconductor module, - with at least one semiconductor unit ( 40 ), consisting of a substrate ( 20 ) and at least one on the top ( 20a ) of the substrate ( 20 ) semiconductor device ( 30 ), and - with a bottom plate ( 10 ) as a carrier on top of which ( 10a ) the respective semiconductor unit ( 40 ) with the underside ( 20b ) of the respective substrate ( 20 ) is applied, - in which the bottom plate ( 10 ) with or from a composite material ( 10 ' ) with a metal material ( 11 ' ) and with at least one insert ( 12 ) with or from an AlSiC material ( 12 ' ) in the metal material ( 11 ' ), - in which the metal material ( 11 ' ) as basic body ( 11 ) of the bottom plate ( 10 ), - in which the at least one insert ( 12 ) locally in the metal material ( 11 ' ) is formed and - in which the respective mission ( 12 ) the bottom plate ( 10 ) in their layer thickness completely from the top ( 10a ) to the bottom ( 10b ). Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, bei welchem das Metallmaterial (11') spanend bearbeitbar ist.Power semiconductor module according to claim 1, wherein the metal material ( 11 ' ) machinable. 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.Power semiconductor module according to one of the preceding claims, in which the metal material ( 11 ' ) is formed with or from one or more materials from the group formed by copper, aluminum, steel, cast iron and their mixtures or alloys. 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.Power semiconductor module according to one of the preceding claims, in which the AlSiC material ( 12 ' ) with regard to the thermal expansion coefficients of the metal material ( 11 ' ) and the respective substrate ( 20 ) or its underside ( 20b ) adapted adapted. 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.Power semiconductor module according to one of the preceding claims, wherein the value of the thermal expansion coefficient of the AlSiC material ( 12 ' ) between the value of the thermal expansion coefficient of the metal material ( 11 ' ) and the value of the thermal expansion coefficient of the substrate ( 20 ) or its underside ( 20b ) lies. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der jeweilige Einsatz (12) einen Teil der Oberseite (10a) der Bodenplatte (10) bildet.Power semiconductor module according to one of the preceding claims, in which the respective insert ( 12 ) a part of the top ( 10a ) of the bottom plate ( 10 ). 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.Power semiconductor module according to one of the preceding claims, in which the respective insert ( 12 ) a part ( 10a '' ) of the top side ( 10a ) of the bottom plate ( 10 ) forming the part ( 10a ' ) of the top side ( 10a ) covers or contains the bottom plate, which of the underside ( 20b ) at least one substrate ( 20 ) or a part thereof, one or more edges ( 20k ) of the underside ( 20b ) at least one substrate ( 20 ) and / or one or more corners ( 20e ) of the underside ( 20b ) one or more substrates ( 20 ), in particular in the region of a respective weld between a substrate ( 20 ) and the top ( 10a ) of the bottom plate ( 10 ) or in the region of a part of such a weld. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem mehrere Einsätze (12) zueinander lateral beabstandet (10) vorgesehen sind.Power semiconductor module according to one of the preceding claims, in which a plurality of inserts ( 12 ) spaced laterally from each other ( 10 ) are provided. 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.Power semiconductor module according to one of the preceding claims, in which the respective insert ( 12 ) in cross-section horizontal to the top ( 10a ) of the bottom plate ( 10 ) is rectangular, square, circular, elliptical, strip-shaped or edge region, frame or section of a corresponding geometric figure is formed. 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.Power semiconductor module according to one of the preceding claims, in which the respective insert ( 12 ) on or in the metal material ( 11 ' ) by means of a connection ( 13 ) is connected via friction welding or other welding methods. 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.Power semiconductor module according to one of the preceding claims, in which the upper side ( 10a ) of the bottom plate ( 10 ) and the underside ( 20b ) of a respective substrate ( 20 ) are formed planar.
DE102006009978A 2006-03-03 2006-03-03 The power semiconductor module Expired - Fee Related DE102006009978B4 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102006009978A DE102006009978B4 (en) 2006-03-03 2006-03-03 The power semiconductor module

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102006009978A DE102006009978B4 (en) 2006-03-03 2006-03-03 The power semiconductor module

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102006009978A1 DE102006009978A1 (en) 2007-10-31
DE102006009978B4 true DE102006009978B4 (en) 2008-12-18

Family

ID=38542150

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102006009978A Expired - Fee Related DE102006009978B4 (en) 2006-03-03 2006-03-03 The power semiconductor module

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102006009978B4 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020178133A1 (en) 2019-03-04 2020-09-10 Audi Ag Electronic converter designed on the basis of welding technologies

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19647590A1 (en) * 1996-11-18 1998-05-20 Abb Research Ltd High power semiconductor multi-chip module e.g. for power electronics
DE19735531A1 (en) * 1997-08-16 1999-02-18 Abb Research Ltd Power semiconductor module with coolers integrated in submodules
JP2000031358A (en) * 1998-07-08 2000-01-28 Sansha Electric Mfg Co Ltd Power semiconductor module
US6473303B2 (en) * 2000-02-11 2002-10-29 Abb Schweiz Ag Cooling device for a high-power semiconductor module
DE10200372A1 (en) * 2002-01-08 2003-07-24 Siemens Ag Power semiconductor module has one contact surface of semiconductor element contacting metallized structure via solder material and second contact surface contacting metallized structure via bonding wire
DE10331453A1 (en) * 2003-07-10 2005-02-17 Motorola Broadband Nürnberg GmbH Method for forming thermal bridge(s) for waste heat dissipation from substrate carrying, or containing electronic components etc., forming recess(es) in substrate and fitting in it thermally conductive body
DE102004054063B3 (en) * 2004-11-05 2006-06-08 Danfoss Silicon Power Gmbh Process to produce a crack free connection between two components of different thermal coefficients of expansion such a power semiconductor and heat sink uses hot gas spray

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19647590A1 (en) * 1996-11-18 1998-05-20 Abb Research Ltd High power semiconductor multi-chip module e.g. for power electronics
DE19735531A1 (en) * 1997-08-16 1999-02-18 Abb Research Ltd Power semiconductor module with coolers integrated in submodules
JP2000031358A (en) * 1998-07-08 2000-01-28 Sansha Electric Mfg Co Ltd Power semiconductor module
US6473303B2 (en) * 2000-02-11 2002-10-29 Abb Schweiz Ag Cooling device for a high-power semiconductor module
DE10200372A1 (en) * 2002-01-08 2003-07-24 Siemens Ag Power semiconductor module has one contact surface of semiconductor element contacting metallized structure via solder material and second contact surface contacting metallized structure via bonding wire
DE10331453A1 (en) * 2003-07-10 2005-02-17 Motorola Broadband Nürnberg GmbH Method for forming thermal bridge(s) for waste heat dissipation from substrate carrying, or containing electronic components etc., forming recess(es) in substrate and fitting in it thermally conductive body
DE102004054063B3 (en) * 2004-11-05 2006-06-08 Danfoss Silicon Power Gmbh Process to produce a crack free connection between two components of different thermal coefficients of expansion such a power semiconductor and heat sink uses hot gas spray

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JP 2000031358 A Pat. Abstr. of JP
Patent Abstracts of Japan & JP 2000031358 A *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020178133A1 (en) 2019-03-04 2020-09-10 Audi Ag Electronic converter designed on the basis of welding technologies

Also Published As

Publication number Publication date
DE102006009978A1 (en) 2007-10-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102009002065B4 (en) Lot with intermetallic phase particles, methods of making such a solder, power semiconductor module with stable solder connection, and methods of making such a power semiconductor module
DE102007030389B4 (en) Module unit with a heat sink
EP1364402B1 (en) Power module having improved transient thermal impedance
DE102010049499B4 (en) Metal-ceramic substrate and method for producing such a substrate
DE10013189B4 (en) Substrate for a power module
DE102009028360B3 (en) Circuit supporting arrangement producing method for producing e.g. inverter module used in industrial application, involves soldering metal surface, lower metalized layer and fastening structure using brazing solder
DE102011083218B4 (en) Semiconductor module with an insert and method for producing a semiconductor module with an insert
EP2530707B1 (en) Method for making a module and the module
DE112016006332B4 (en) Power module
EP2436032A1 (en) Cooled electric unit
DE102009033029A1 (en) Electronic device
DE102013208818A1 (en) Reliable area joints for power semiconductors
DE102010003533B4 (en) Substrate arrangement, method for producing a substrate arrangement, method for producing a power semiconductor module and method for producing a power semiconductor module arrangement
DE102019211109A1 (en) Method and cooling body arrangement for cooling semiconductor chips with integrated electronic circuits for power electronic applications
DE112017000426T5 (en) POWER SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING A POWER SEMICONDUCTOR DEVICE
DE112019007709T5 (en) SEMICONDUCTOR DEVICE
DE112019002287T5 (en) SEMI-CONDUCTOR DEVICE
DE102016214607B4 (en) Electronic module and method for its manufacture
DE102009022877B4 (en) Cooled electrical unit
DE102006012007B4 (en) Power semiconductor module with surface-mountable flat external contacts and method of making the same and its use
DE102021126277A1 (en) SEMICONDUCTOR DEVICE
DE102016115221A1 (en) Method for connecting at least two substrates to form a module
DE102007031490B4 (en) Method for producing a semiconductor module
DE102006009978B4 (en) The power semiconductor module
EP3958302A1 (en) Base plate for a semiconductor module and method for producing a base plate

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8364 No opposition during term of opposition
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee