DE19639938C2 - Hybridintegrierte Schaltung mit einem geklebten Kühlkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hybridintegrierte Schaltung mit einem plattenförmigen Keramiksubstrat, das auf einer Hauptfläche mindestens mit einem Schaltungselement mit hoher Verlustleistung bestückt ist und an dessen gegenüberliegender Hauptfläche ein großflächiger Kühlkörper mittels einer wärme­ leitenden Zwischenschicht aus Klebstoff flexibel befestigt ist, wobei der Klebstoff zusätzlich mit Kugeln mit dem Durchmesser der gewünschten Zwischenschichtdicke gefüllt ist.

Eine derartige Leistungshybridschaltung ist aus JP-3-278562 A in Pat.-Abstr. of JP E-1177 bekannt. Die Kugeln sind dort Aluminiumoxid-Partikel. Aus JP 4-45564 A in Pat.-Abstr. of JP E-1209 ist es bekannt, die Lage eines Halbleiterchips auf einer Wärmeabstrahlungsplatte dadurch festzulegen, daß zwischen den Chip und die Wärmeabstrahlungsplatte ein Kleber mit darin enthaltenen kugelförmigen Wärmeleitern angeordnet wird. Beim Andrücken des Chips gegen die Unterlage wird der Kleber zwischen den Kügelchen nach außen gedrängt.

Hybridschaltungen sind Subbaugruppen von elektronischen Gerä­ ten, die beispielsweise wie elektrische Bauelemente auf vor­ handene Flachbaugruppen gelötet werden und damit zu einer Mi­ niaturisierung der Geräte führen. Als Substratmaterial können Aluminiumoxidplatten verwendet werden, auf die dann verschie­ denartigste Bauelemente hybridiert werden. Die Verdrahtung zwischen diesen Komponenten geschieht über spezielle Schicht­ technologien: Durch Siebdruck aufgebrachte Strukturen (Dickschichttechnologie) bzw. durch Vakuumverfahren aufge­ brachte dünne Metallschichten mit nachfolgender Fotolithogra­ phie (Dünnfilmtechnologie). Eine Besonderheit dieser Schicht­ schaltungen ist die Verwendung von integrierten Schichtwider­ ständen. Ein genereller Vorteil derartiger Schichtschaltungen ist, daß Spannungs- und Leistungsspitzen leichter zu beherr­ schen sind als bei integrierten Schaltungen.

Bei Hybridschaltungen mit hoher Verlustleistung muß auf dem Trägersubstrat ein Kühlkörper oder Kühlblech zum Abführen der thermischen Verlustleistung befestigt werden. Um die Lei­ stungsreserven der Hybridschaltung ausnützen zu können, müs­ sen Verbindungstechniken mit geringem thermischen Widerstand zur Verbindung von Kühlkörper und Substratkeramik verwendet werden. Da der Ausdehnungskoeffizient der beiden Materialien sehr unterschiedlich ist, muß die Verbindung außerdem eine große Flexibilität aufweisen. Löten oder andere inflexible Verbindungstechniken scheiden daher aus. Üblicherweise wird deshalb bisher eine Klebetechnik mit flexiblem Klebstoff an­ gewendet. Derartige Klebstoffe, beispielsweise Silikonkleber, weisen jedoch einen relativ großen thermischen Widerstand von ca. 1 W/mK auf. Eine Verbesserung des Wärmeüberganges durch Wahl einer dünneren Zwischenschicht ist schon deshalb nicht möglich, da dies bei etwa vorhandenen Unebenheiten (Toleranzen von Substrat bzw. Keramik) zu Problemen führen würde. Tatsächlich erfordern flexible Klebungen die Einhal­ tung einer ganz bestimmten Dicke der Kleberschicht, um Haft­ festigkeit und Flexibilität zu gewährleisten. Da die gefor­ derte Dicke nur über eine definierte Anpreßkraft der beiden zu verklebenden Teile eingestellt werden kann, die ferti­ gungstechnisch jedoch nur schwer zu beherrschen ist, bleibt die nötige Zuverlässigkeit bei der Schichtdicke auch dann problematisch, wenn das Problem des thermischen Widerstands, wie auch bereits bekannt, durch Zugabe von pulverförmigen ke­ ramischen Materialien zum Klebstoff teilweise entschärft ist.

Aus EPP, Mai 1991, Seiten 40-41 ist es bekannt, bei Klebstoffen für die Elektronik-Fertigung Leitfähigkeit durch Füllstoffe zu erreichen. Genannt werden zum Beispiel Gold, Silber, Kupfer, Nickel und Graphit, wobei Silber als besonders praxistauglich hervorgehoben wird. Als Füllgrad wird ein Bereich von 60 bis 80% empfohlen. Als Form für die in den Klebstoff einzuarbeitenden Füller werden Flakes besonders empfohlen, allerdings wird auch auf Alternativen hingewiesen, zum Beispiel Kugeln, Nadeln oder Vielecke, um Leitfähigkeit und Fließeigenschaften zu optimieren. Das Problem der Distanzeinstellung zwischen beispielsweise einer Schaltung und einem plattenförmigen Träger ist hier nicht angesprochen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Hybridschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich durch eine flexible Klebung mit besserem Wärmeleitwert und zuverlässigerer Schichtdicke auszeichnet.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer Hybridschaltung der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß die Kugeln Metallkugeln sind, und zwar Zinn-Blei-Lotkugeln mit einem Durchmesser von etwa 20 bis 50 µm.

Ausgestaltungen der Erfindung sind im Unteranspruch gekenn­ zeichnet. Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausfüh­ rungsbeispiels näher erläutert.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Hybridschaltung bestehen darin, daß durch die Metallkugeln der thermische Widerstand der Zwischenschicht auf ca. 20 bis 50% seines ursprünglichen Wertes verringert werden kann. Dadurch wird eine größere Lei­ stungsabgabe der Schaltung bei gleichem technischen Aufwand ermöglicht. Durch den definierten Durchmesser der Kugeln wird außerdem die Schichtdicke der Klebung gewährleistet, wenn die beiden zu klebenden Teile mit maximalem Druck aneinander­ gepreßt werden, wodurch sich auch durch Unebenheiten der Keramik oder des Kühlkörpers bedingte Toleranzen ausgleichen lassen. Die Anpreßkraft braucht also nicht mehr auf einen vorgegebenen, nicht maximalen Wert reguliert werden.

Als Anwendungsbeispiel sei ein Leistungsmodul, beispielsweise ein IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor)-Modul in Dick­ schichttechnik beschrieben, das zur Wärmeentsorgung der Halb­ leiterchips mit einem Aluminium-Kühlkörper verbunden werden muß. Der Silikonkleber, wird mit Zinn-Blei-Kugeln (Lotkugeln) des Durchmessers von 25 µm gefüllt. Die Chips selber sind etwa 200 µm dick. Als Zwischenschichtdicke kommt ein Bereich von etwa 20 bis 50 µm in Frage. Das Dickschicht­ modul wird mit einer Preßvorrichtung auf den mit dem Kleb­ stoff mittels Siebdruck bedruckten Kühlkörper gepreßt. Die Lotkugeln halbieren ungefähr den thermischen Widerstand der Klebeverbindung. Dadurch können die Halbleiter mit höherer Leistungs betrieben werden.

Claims (2)

1. Hybridintegrierte Schaltung mit einem plattenförmigen Keramiksubstrat, das auf einer Hauptfläche mindestens mit einem Schaltungselement mit hoher Verlustleistung bestückt ist und an dessen gegenüberliegender Hauptfläche ein großflächiger Kühlkörper mittels einer wärmeleitenden Zwischenschicht aus Klebstoff flexibel befestigt ist,
wobei der Klebstoff zusätzlich mit Kugeln mit einem Durchmesser der gewünschten Zwischenschichtdicke gefüllt ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kugeln durch Metallkugeln in Form von Zinn-Blei- Lotkugeln mit einem Durchmesser von etwa 20 bis 50 µm gebildet sind.

2. Hybridschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoff ein mit pulverförmigem keramischem Material gefüllter Silikonkleber ist.