DE10337640A1 - Leistungshalbleitermodul mit verbessertem thermischen Kontakt - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Leistungshalbleitermodul zur Montage auf einem Kühlkörper, bestehend aus einem Gehäuse (10), Leistungshalbleiterbauelementen (30) sowie einem beidseitig mit einer metallischen Schicht versehenen isolierenden Substrat (20). Die Leistungshalbleiterbauelemente (30) sind auf der ersten in sich strukturierten und somit einzelne Leiterbahnen bildenden metallischen Schicht (22) angeordnet und mit dieser schaltungsgerecht verbunden. Diese erste metallische Schicht (12) ist auf der ersten dem Inneren des Leistungshalbleitermoduls zugewandten Hauptfläche des Substrates (20) und die zweite metallische Schicht (24) ist auf der zweiten Hauptfläche des Substrates (10) angeordnet. Die zweite metallische Schicht (24) weist über ihre gesamte Fläche eine Vielzahl von Vertiefungen (26) auf, wobei diese Vertiefungen eine Tiefe aufweisen, die geringer ist als die Dicke dieser Schicht.

Description

  • Die Erfindung beschreibt ein Leistungshalbleitermodul bestehend aus mindestens einem Substrat, das seinerseits aus einem Isolierstoffkörper sowie auf beiden Hauptflächen dieses Isolierstoffkörpers angeordneten metallischen Schichten besteht. Die erste metallische Schicht ist hierbei in sich strukturiert und bildet einzelne Verbindungsbahnen. Auf diesen Verbindungsbahnen und mit diesen schaltungsgerecht verbunden sind Leistungshalbleiterbauelemente angeordnet. Auf der zweiten Hauptfläche des Isolierstoffkörpers ist eine zweite, nach dem Stand der Technik unstrukturierte, metallische Schicht (Metallisierung) angeordnet. Weiterhin weist das Leistungshalbleitermodul ein rahmenartiges Gehäuse sowie einen Deckel auf, wobei diese beiden Teile auch einstückig ausgeführt sein können.
  • Das Leistungshalbleitermodul wird entweder direkt mit der zweiten metallischen Schicht auf einem Kühlkörper montiert oder es weist eine zusätzliche metallische Grundplatte auf, auf der die zweite metallische Schicht des Substrats angeordnet ist.
  • Die DE 102 13 648 zeigt beispielhaft ein Leistungshalbleitermodul der oben beschriebenen Art zur direkten Montage auf einem Kühlkörper. Die DE 103 16 355 zeigt unter anderem ein Leistungshalbleitermodul mit Grundplatte zur Montage auf einem Kühlkörper. Allen derartigen Leistungshalbleitermodulen nach dem Stand der Technik ist gemeinsam, dass deren Substrat eine strukturierte Metallisierung auf der ersten und eine unstrukturierte Metallisierung auf der zweiten Hauptfläche aufweist. Diese unterschiedliche Ausgestaltung führt zu Verspannungen innerhalb des Substrates. Ursächlich für diese Verspannungen ist der Herstellungsprozess des Substrates. Bei der Herstellung werden auf beiden Seiten des Isolierstoffkörpers vorzugsweise identische Metallisierungen aufgebracht. Anschießend wird die erste Metallisierung strukturiert um die Leiterbahnen auszubilden. Die zweite Metallisierung ist nach dem Stand der Technik unstrukturiert. Aus diesem Unterschied der Strukturierung resultiert eine Verspannung des Substrates. Diese Verspannung kann zu einer Durchbiegung des Substrates führen. Hieraus resultieren abhängig von der Art des Leistungshalbleitermoduls bei dessen Herstellung oder dessen Verwendung eine Mehrzahl von Nachteilen, beispielhaft sind drei der wichtigsten genannt:
    • • Bei der Herstellung wird die automatisierte Bestückung des Substrates mit Bauelementen erschwert.
    • • Eine für den Wärmeabtransport während der Verwendung des Leistungshalbleiterbauelemente notwendige plane stoffschlüssige Auflage auf einer Grundplatte ist erschwert.
    • • Bei grundplattenlosen Leistungshalbleitermodulen wird während der Verwendung der Wärmeübergang zu einem stoffbündig darunter angeordneten Kühlkörper verschlechtert.
  • Ausgangspunkt der Erfindung ist weiterhin die DE 43 18 241 A1 . Hier wird die Ausgestaltung eines Substrates mit zwei Reihen von Öffnungen im Randbereich der Metallisierung der zweiten Hauptfläche vorgeschlagen. Der Vorteil dieser Anordnung von kleinen Löchern, die im Vergleich mit der Dicke der Metallisierung eine geringere Tiefe aufweisen, liegt darin eine Rissbildung der Metallisierung im Randbereich bei thermischer Belastung durch Temperaturwechsel zu vermeiden. Diese Ausgestaltung hat allerdings keinen Einfluss auf die oben beschriebene Durchbiegung des Substrates.
    •
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein Leistungshalbleitermodul vorzustellen, welches eine reduzierte Durchbiegung des Substrates aufweist und somit einen besseren thermischen Kontakt des Substrates zu einer Grundplatte oder einem Kühlkörper gewährleistet.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Leistungshalbleitermodul nach dem Anspruch 1, spezielle Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.
  • Der Grundgedanke der Erfindung geht aus von einem Leistungshalbleitermodul mit Grundplatte oder zur direkten Montage auf einem Kühlkörper. Dieses besteht aus einem Gehäuse, mindestens einem Leistungshalbleiterbauelement sowie mindestens einem beidseitig mit einer metallischen Schicht versehenen elektrisch isolierenden Substrat. Das mindestens eine Leistungshalbleiterbauelement ist auf der ersten in sich strukturierten und somit einzelne Leiterbahnen bildenden metallischen Schicht angeordnet und mit dieser schaltungsgerecht beispielhaft mittels Drahtbondverbindungen verbunden. Diese erste metallische Schicht befindet sich auf der ersten, dem Inneren des Leistungshalbleitermoduls zugewandten Hauptfläche des Substrates, während die zweite metallische Schicht auf der zweiten Hauptfläche des Substrates angeordnet ist.
  • Das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul weist auf der zweiten metallischen Schicht eine Vielzahl von Vertiefungen auf. Dies Vertiefungen sind regelmäßig oder unregelmäßig über die gesamte Fläche der metallischen Schicht angeordnet. Weiterhin weisen diese Vertiefungen eine Tiefenausdehnung auf, die geringer ist als die Dicke der zweiten metallischen Schicht.
  • Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung der zweiten metallischen Schicht des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls ist, dass durch die teilweise Unterbrechung der Oberfläche diese und damit die gesamte Schicht gezielt geschwächt wird. Diese Schwächung kompensiert die durch die Strukturierung der ersten Oberfläche dort entstandene Schwächung. Somit wird eine oben beschriebene Durchbiegung des Substrates deutlich reduziert.
  • Weiterhin vorteilhaft an der erfinderischen Ausgestaltung eines Leistungshalbleitermoduls ist, dass die Vertiefungen Inhomogenitäten oder Überschüsse des Auftrags von Wärmeleitpasten zwischen dem Substrat und eine Kühlkörper durch die Aufnahme dieser ausgleichen.
  • Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den 1 bis 4 näher erläutert.
    •
  • 1 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul zur direkten Montage auf einem Kühlkörper.
  • 2 zeigt die zweite Metallisierung des Substrates eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
  • 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung der zweiter Metallisierung des Substrates.
  • 4 zeigt eine dritte Ausgestaltung der zweiter Metallisierung des Substrates.
  • 1 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul (1) zur direkten Montage auf einem Kühlkörper (50). Dargestellt ist hierbei ein rahmenartiges Gehäuse (10) mit integriertem Deckel. Dieses überdeckt das Substrat (2), welches seinerseits aus einem Isolierstoffkörper (20) sowie auf dessen beiden Hauptflächen angeordneten metallischen Schichten (22, 24) besteht. Die erste metallische Schicht (22) ist zur Ausbildung von einzelnen voneinander isolierten Leiterbahnen in sich strukturiert. Auf diesen Leiterbahnen sind Leistungshalbleiterbauelemente (30) angeordnet. Vorzugsweise geschieht dies durch einen Lötprozess. Die Leistungshalbleiterbauelemente (30) sind mit weiteren Leiterbahnen mittels Drahtbondverbindungen (32) schaltungsgerecht verbunden. Das Leistungshalbleitermodul (1) ist vorteilhafterweise im Inneren mit einem Silikonkautschuk (40) zur elektrischen Isolierung vergossen.
  • Derartige Leistungshalbleitermodule (1) werden zur Abfuhr der in den Leistungshalbleiterbauelementen (30) entstehenden Wärme auf einem Kühlkörper (50) montiert. Die zweite metallische Schicht (24) des Substrates (2) dient hierbei dem Wärmeübergang. Diese Schicht ist in 1 zur Verdeutlichung dicker gezeichnet als die erste metallische Schicht (22), allerdings ist bei der realen Ausgestaltung eine gleiche Schichtdicke beider Schichten (22, 24) bevorzugt. Zwischen der zweiten metallischen Schicht (24) und dem Kühlkörper ist nach dem Stand der Technik eine Wärmeleitpaste (nicht gezeichnet) angeordnet. Erfindungsgemäß weist die zweite metallische Schicht Vertiefungen (26) auf. Diese sind hier in den Bereichen der zweiten metallischen Schicht (24) angeordnet, in den auf der gegenüberliegenden ersten metallischen Schicht (22) keine Leistungshalbleiterbauelemente (30) angeordnet sind. Somit ist die zweite metallische Schicht geschwächt um die Durchbiegung des Substrates (2) zu verringern. Durch diese Anordnung ist der im wesentlichen direkte Wärmeübergang von den Leistungshalbleiterbauelementen (30) zum Kühlkörper nicht behindert. Weiterhin ist es hinreichend, wenn die Vertiefungen (26) eine Tiefe von maximal 50% der Dicke der zweiten metallischen Schicht (24) aufweisen. Die Vertiefungen (26) weisen den zusätzlichen Vorteil auf, dass überschüssige Wärmeleitpaste in diesen Vertiefungen aufgenommen werden kann.
  • Die 2 bis 4 zeigen verschiedene Ausgestaltungen der zweiten metallischen Schicht (24) eines Substrates (2) eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls (1). Weiterhin dargestellt sind die Positionen (32) der Leistungshalbleiterbauelemente (30) auf der ersten metallischen Schicht (22).
  • 2 zeigt drei Gruppen von Vertiefungen (26), die sich jeweils zwischen den in Reihen angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen (30) auf der ersten metallischen Schicht (22) befinden. Diese Gruppen sind senkrecht zur Längsseite des Substrates (2) ausgerichtet, da entlang der Längsausdehnung die Verspannungen und damit die Durchbiegung größer ist verglichen mit der Querausdehnung. Die Vertiefungen (26) bestehen hier aus Kugelsegmenten gleicher Größe.
  • 3 zeigt wie 2 ebenfalls drei Gruppen von Vertiefungen (26). Dargestellt sind hier schlitz- oder langlochartige Vertiefungen (26a, 26b). Vorteil hierbei ist, dass diese Vertiefungen ein Vorzugsrichtung aufweisen. Es kann somit bei geeigneter Anordnung eine unterschiedliche Schwächung der metallischen Schicht (24) in Quer- sowie in Längsausdehnung erreicht werden. Weiterhin können derartig gestaltete Vertiefungen (26a, 26b) verglichen mit Kugelsegmenten, auf Grund ihrer größeren Fläche projiziert auf den Isolierstoffkörper eine geringe Tiefe von nur 10% der Dicke der zweiten metallischen Schicht (24) aufweisen. Dies erweist sich als vorteilhaft, bei einer Lötverbindung zwischen einer Grundplatte (50) und der metallischen Schicht (24).
  • Die Gesamtheit aller Vertiefungen weist hier eine Grundfläche projiziert auf den Isolierstoffkörper auf, die zwischen 3% und 10% der Gesamtfläche der metallischen Schicht (24) liegt. Dieser Wert hängt von der Gestaltung der Strukturierung der ersten metallischen Schicht (22) ab und muss ebenso wie die Verteilung und die am besten geeignete Ausgestaltung der Vertiefungen (26) empirisch für das jeweilige Substrat (2) ermittelt werden. Die Grundfläche projiziert auf den Isolierstoffkörper einer einzelnen Vertiefung (26) ist geringer als 0,3% der Gesamtfläche der metallischen Schicht (24).
  • 4 zeigt in einer weiteren Ausgestaltung der zweiten metallischen Schicht (24) des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls (1) eine homogen Verteilung der Vertiefungen (26). Alle Vertiefungen sind hierbei hexagonal zueinander angeordnet und weisen untereinander einen Abstand von mehr als dem Dreifachen ihrer jeweiligen lateralen Ausdehnung auf. In der gezeigten Ausgestaltung weisen alle Vertiefungen (26) eine kugelsegmentartige Form auf, allerdings weisen nicht alle die gleiche Fläche projiziert auf den Isolierstoffkörper auf. Die Vertiefungen sind in Reihen alternierend mit größerer Ausdehnung (26c) und geringerer Ausdehnung (26d) angeordnet.

Claims (8)

  1. Leistungshalbleitermodul mit Grundplatte oder zur direkten Montage auf einem Kühlkörper bestehend aus einem Gehäuse (10), mindestens einem Leistungshalbleiterbauelement (30) sowie mindestens einem beidseitig mit einer metallischen Schicht versehenen isolierenden Substrat (20), wobei das mindestens eine Leistungshalbleiterbauelement (30) auf der ersten in sich strukturierten und somit einzelne Leiterbahnen bildenden metallischen Schicht (22) angeordnet und mit dieser schaltungsgerecht verbunden ist, diese erste metallische Schicht (12) auf der ersten dem Inneren des Leistungshalbleitermoduls zugewandten Hauptfläche des Substrates (20) und die zweite metallische Schicht (24) auf der zweiten Hauptfläche des Substrates (10) angeordnet sind, wobei die zweite metallisch Schicht (24) über ihre gesamte Fläche eine Vielzahl von Vertiefungen (26) aufweist und diese Vertiefungen eine Tiefe aufweisen, die geringer ist als die Dicke der zweiten metallischen Schicht.
  2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei die Vertiefungen (26) homogen über die gesamte Fläche der zweiten metallischen Schicht (24) verteilt sind.
  3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei die Vertiefungen (26) nur in denjenigen Flächenabschnitten der zweiten metallischen Schicht (24) angeordnet sind, denen direkt gegenüber auf der ersten metallischen Schicht Flächenabschnitte (32) ohne Leistungshalbleiterbauelemente (30) zugeordnet sind.
  4. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei die Vertiefungen (26) eine auf den Isolierstoffkörper (20) projizierte Grundfläche aufweisen, die geringer ist als 0,3% der Gesamtfläche der metallischen Schicht (24).
  5. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei die gesamte auf den Isolierstoffkörper (20) projizierte Grundfläche aller Vertiefungen (26) zwischen 3% und 10% der Gesamtfläche der zweiten metallischen Schicht (24) entspricht.
  6. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei der Abstand jeweils zweier Vertiefungen (26) mindestens das 3-fache der lateralen Ausdehnung in der jeweiligen Richtung entspricht.
  7. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei die Vertiefungen (26) eine Tiefe von maximal 10% der Dicke der zweiten metallischen Schicht (24) aufweisen.
  8. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei einzelne Gruppen von Vertiefungen (26) senkrecht zur Längsseite des Substrates (2) ausgerichtet sind.
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