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"Elektrisch isolierende Wärmeableitscheibe"
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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrisch isolierende Wärmeableitscheibe
auf der Basis von Keramik als Trag-und/oder Anschlußplatte für elektrische und elektronische
Bauelemente, integrierte Schaltungen und Leiterbahnen.
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Sie kann Anwendung finden zum Aufbau aufgedampfter oder aufgedruckter
Schaltungen, jedoch auch zur Verbindung zwischen Leistungshalbleiter-Bauelementen
und/oder -moduln und einer größeren potentialfreien Wärmesenke. Dabei versteht es
sich, daß die Halbleiterbauelemente auch zusammen mit Widerständen, die sich auf
unterschiedlichen elektrischen Potentialen befinden, auf der Tragplatte montiert
sein können.
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Unter einem "Leistungshalbleiter-Modul" wird die bekannte Anordnung
von einem oder mehreren, vorzugsweise zwei, auf
einer gemeinsamen
Montageplatte befestigten Halbleiterelementen in Form von mit Elektroden versehenen,
randseitig isolierten bzw. passivierten, meistens für sich gehäuselosen Tabletten
und wahlweise mit Beschaltungselementen in einem gemeinsamen Gehäuse mit Kühleinrichtung
verstanden, wobei die Hauptstromanschlüsse und die ggf.
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vorhandenen Steuerstromanschlüsse des bzw. der Halbleiterelemente
möglichst nach einer einzigen Seite aus dem Gehäuse herausgeführt sind. Bei bekannten
derartigen Moduln sind verschiedene Schaltungsvarianten möglich (Prospekt "Power
Semiconductors" vom März 1974 vbfl;' der Firma AEI Semiconductors (Publication 111),
Seiten 48/49; weiterhin Datenblatt Thyristormoduln Thy F 75/G 75/ H 75 der Firma
Siemens AG, Erlangen). Für den Aufbau von Stromrichterschaltungen ist es von Vorteil,
daß die Leistungshalbleitermoduln mechanisch und elektrisch anschlußfertige Funktionseinheiten
aus einem oder mehreren diskreten Halbleiterelementen sind, ggf. mit weiteren Bes-chaltungselementen
und/oder der Steuerelektronik. Ein weiterer Vorteil derartiger Moduln liegt in der
Verbilligung durch Vermeidung der Einzelkapselung und der Montage von einzelnen
Halbleiterelementen vor Ort.
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Von Nachteil ist bei den bekannten Moduln die hohe Wärmestromdichte
wegen der hohen Konzentration von wärmeabgebenden Bauelementen, was die Kühlung
erschwert und so -die Leistungsfähigkeit solcher Moduln begrenzt. Um die anfallende
Wärme mit vertretbarem Temperaturabfall an die Umgebung, z.B. über einen Metallkühler
oder ein Wärmerohr, abgeben zu können, ist es erforderlich, den Wärmewiderstand
zwischen wärmeabgebender Fläche des Moduls und wärmeaufnehmender Fläche des Kühlers
klein zu halten.
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Es ist für Moduln bekannt, für jedes Halbleiterelement zur Befestigung
auf einer Kupfergrundplatte eine isolierende
Zwischenscheibe aus
Oxidkeramik zu verwenden (DE-GM 75 12 573).
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Es ist allgemein bekannt, als Wärmeableitscheiben dünne Keramikscheiben
aus Berylliumoxid in der Halbleitertechnologie zu benutzen. Solche Keramikscheiben
besitzen neben guten elektrischen auch relativ gute thermische Eigenschaften hinsichtlich
der Wärmeleitfähigkeit (A12 03 :Rç 0,4W/cm.K; BeO:R~Y1,GW/cm.K).
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So beträgt z.B. der Temperaturabfall über eine 1 mm dicke A1202-2
Scheibe bei 50 W/cm ca. 12,5 CC, im Falle BeO sogar nur 3,2"C.
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Mit Hilfe dieser Materialien könnte die Verlustwärme direkt an eine
gekühlte Schiene abgeführt werden, ohne daß eine Transformation der Wärmestromdichte
erforderlich wäre. Das Problem dieser keramischen Materialien liegt jedoch in ihren
gegenüber Kupfer niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten und ihrer Bruchanfälligkeit.
Durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Keramik und
Kupfer (tG Alz = 78.10 1/ °c, Z Cu = 175.10 7 1/ °c) sind großflächige Verbindungen
dieser beiden Materialien nicht aus zu führen, da bei den anfallenden Temperaturwechselbeanspruchungen
die zulässige Zugspannung in der Keramik weit überschritten wird. Dies führt zu
Rissen in der Keramik, die ihrerseits die elektronische Durchschlagsfestigkeit drastisch
herabsetzen.
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Ein flächenhafter Kontakt ist daher nur bis zu Durchmessern von etwa
10 mm durchführbar.
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Auch für die bekannte ~Direct-Bonding-Methode" gelten diese Probleme
(J.F. Burgess and C.A. Neugebauer and G.Flanagan: The Direct Bonding of Metals to
Ceramics by the Gas-Metal Eutectic Method, J. Electrochem. Soc.: Solid-State Science
and Technology, Vol. 122, No. 5, May 1975, Seiten 688 bis 690). Es handelt sich
um ein Verfahren mit dem Kupfer (und andere Metalle) direkt auf isolierende Oxidunterlagen
wie BeO oder A1203 gebondet werden.
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Der Erfindung liegt daher, ausgehend von der eingangs genannten elektrisch
isolierenden Wärmeableitscheibe auf der Basis
von Keramik, die Aufgabe
zugrunde, unter Nutzung von deren guten elektrisch isolierenden Eigenschaften und
deren guter Wärmeleitfähigkeit die mechanische Festigkeit bei Temperaturwechselbeanspruchung
zu verbessern. Sie soll z.B. die bei Einsatz von Leistungshalbleiter-Bauelementen
oder Leistungshalbieitermoduln anfallenden hohen Temperaturwechselbeanspruchungen
aushalten und dabei auch die spröden Halbleitertabletten möglichst wenig belasten.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Keramik durch Kunststoff
in einzelne Keramik-Scheibenbereiche getrennt ist und daß diese Bereiche von Scheibenoberfläche
zu Scheibenoberfläche durchlaufen.
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In vorteilhafter Weise ergibt sich der Wärmewiderstand dieser Scheibe
in axialer Richtung, d.h. senkrecht zu den Scheibenebenen, als Parallelschaltung
der Wärmewiderstände von Keramik und Kunststoff. Bei einem bevorzugten Füllgrad
von über 80 % Keramik ist er also im wesentlichen durch die Keramik selbst bestimmt,
so daß sich je nach Keramik ein Temperaturabfall von 3,5 bis 15 Cc erzielen läßt.
Dieser Wert muß unter dem Gesichtspunkt beurteilt werden, daß sich gleichzeitig
der Ausdehnuflgskoeffizient über den Füllgrad einstellen läßt und damit die thermische
Ausdehnung der Scheibe in radialer Richtung.
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Zweckmäßig sind die einzelnen Keramik-Scheibenbereiche mit enger Toleranz
flächendeckend angeordnet, vorzugsweise sind sie sechseckig. Der Abstand zwischen
den benachbarten Sechseckseiten braucht nur der für den Anwendungszweck empirisch
oder rechnerisch zu ermittelnden maximalen Wärmedehnung zu entsprechen.
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Durch Einstellung des Füllgrades, vorzugsweise über 80 % ist eine
Anpassung des Ausdehnungskoeffizienten an den des Metalls des anzuschließenden Kühlkörpers
möglich. Unterschiedliche
radiale Dehnungen bestehen lediglich zwischen
den einzelnen Keramik-Scheibenbereichen und dem Metall des Kühlkörpers.
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2 Es sind großflächige Kontakte weit über 1 cm möglich, ohne daß
die vorbeschriebene Rißbildung auftritt.
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Es ist an sich allgemein bekannt, Kunststoffolien zur Isolierung bei
Halbleiterbauelementen einzusetzen. Kunststoffolien besitzen zwar sehr gute elektrische
Eigenschaften (Isolationswiderstand, Durchschlagsfestigkeit), jedoch sehr schlechte
-3 thermische (Wärmeleitfähigkeit =< 4.. 10 W/cm . Kj Eigenschaften. So beträgt
der Temperaturabfall bei einer 0,1 min dicken Folie bei hier in Frage kommenden
Leistungsdichten von 2 50 W/cm ca. 125 OC, was nicht tragbar ist. Sinnvoll läßt
sich die Verlustwärme über Kunststoff nur dann ableiten, wenn die 2 Wärmestromdichte
auf Werte o 5 W/cm transformiert wird. Dies könnte z.B. mit einem Wärmerohr ealisiert
werden. Nachteilig ist jedoch das relativ große Volumen eines Wärmerohres (Heat-Pipe).
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Die evtl. naheliegende Kombination der guten elektrischen und mechanischen
Eigenschaften der Kunststoffe mit den guten elektrischen und thermischen Eigenschaften
von Keramik in Form eines homogenen Verbundkörpers aus Keramik und Kunststoff würde
nicht zu dem gewünschten Erfolg führen, weil ein solcher Verbundkörper lediglich
in seinem Ausdehnungskoeffizienten weitgehend dem von Kupfer angepaßt werden kann,
hinsichtlich seines resultierenden Wärmewiderstandes jedoch sehr nahe bei dem hohen
Wärmewiderstand des Kunststoffes liegt, weil er sich im wesentlichen aus der Summe
der Einzelwiderstände der beiden Komponenten ergibt. Selbst wenn der Volumenanteil
des Kunststoffes nur etwa 30 % betragen würde, hätte ein solcher homogener Verbundkörper
immer noch einen Wärmewiderstand, der nur etwa um den Faktor 3 gegenüber reinem
Kunststoff herabgesetzt wäre.
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Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen läßt sich der Wärmeausdehnungskoeffizient
über den Füllgrad einstellen und gleichzeitig ein geringer Wärmewiderstand erreichen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. la eine Draufsicht auf eine Wärmeableitscheibe aus
kreisrunden Keramikbereichen und Kunststoff, Fig. Ib eine Draufsicht auf eine Wärmeableitscheibe
aus sechseckigen Keramikbereichen und Kunststoff, Fig. 2 einen Schnitt entsprechend
der Schnittlinie II-II in Fig. 1, Fig. 3 den Temperaturabfall an der Wärmeableitscheibe
gemäß Fig. 1 in Funktion von der Scheibendicke und verglichen mit dem eines homogenen
Verbundkörpers.
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Die beispielsweise von einem länglichen Verbundkörper abgesägte Wärmeableitscheibe
1 besteht aus Keramikbereichen 2 (in Fig. la - Bereiche 2a) und Kunststoff 3, vorzugsweise
Epoxidharz.
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Bei einer sechseckigen Form der Keramikbereiche 2b gemäß Fig. lb läßt
sich ein höherer Keramik-Füllgrad erreichen.
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Dieser ist lediglich begrenzt durch die für die Wärmedehnung der einzelnen
Bereiche einzuhaltenden Abstände der Sechseckseiten voneinander. Es ist ein Füllgrad
von nahe bei 100 % Keramik erreichbar.
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Wie Fig. 2 zeigt, reichen die Keramik-Scheibenbereiche 2a
von
der einen Scheibenoberfläche 4 zur anderen Scheibenoberfläche 5. Sie sollen sich
im Gebrauchszustand an die Halbleiteroberfläche einerseits und an den anzuschließenden
Kühlkörper andererseits mit minimalem thermischem Übergangswiderstand anschließen.
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Für alle geometrischen Formen der Keramikscheibenbereiche 2 wird ein
minimaler Abstand von Bereich zu Bereich angestrebt.
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Bei einem Füllgrad von 80 bis 90 % liegt der Wärmewiderstand der heterogenen
Wärmeableitscheibe 1 bereits nahe bei dem der reinen Keramik, so daß sich je nach
Keramik, z.B. Berylliumoxid oder Aluminiumoxid, ein Temperaturabfall von 3,5 bzw.
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15 °C erzielen läßt.
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In Fig. 3 ist der Temperaturabfall in Abhängigkeit von der Scheibendicke
t bei einer Wärmestromdichte von 50 W/cm für Berylliumoxid und Aluminiumoxid dargestellt.
Zum Vergleich ist diese Abhängigkeit auch für einen homogenen Verbundkörper mit
einem Füllgrad von 70 % Aluminiumoxidkeramik dargestellt.
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Es wurde bereits erläutert, daß sich der Ausdehnungskoeffizient über
den Füllgrad einstellen läßt. Z.B. ist bei 90 % Berylliumoxid, Rest Epoxidharz,
der Ausdehnungskoeffizient der Wärmeleitscheibe l dem von Kupfer angepaßt. Unterschiedliche
radiale Dehnungen bestehen lediglich zwischen den einzelnen Keramik-Scheibenbereichen
2 (bei kreisrunder Form z.B.
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von 1 bis 5 mm Durchmesser) und Kupfer. Die durch thermische Beanspruchungen
in diesem Keramik-Scheibenbereichen 2 entstehenden Spannungen sind proportional
d/t, wobei d= Scheibendurchmesser und t = Scheibendicke ist. Sie lassen sich also
durch die entsprechende Wahl des Durchmessers der Keramik-Scheibenbereiche 2 in
Grenzen halten. Die Scheibendicke t bestimmt sich in ihrem unteren Wert anhand der
geforderten Isolierfestigkeit und der Herstellbarkeit, in ihrem oberen Wert entsprechend
den thermischen Anforderungen. Sie sollte zwischen 0,5 und 1 mm liegen.
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Die nachfolgende Tabelle zeigt noch einmal vergleichend den Wärmewiderstand
von elektrisch isolierenden Scheiben, bezogen auf 10 mm Dicke auf: Material Wärmewiderstand
°C/W/cm Kunststoff 250 Al2O3 (99,7 %) 2,63 BeO 0,56 Homogener Verbundkörper 75 (70
% A12 03 , Rest Kunstst.) Heterogener Verbundkörper 3,29 (axial) (80 % AlaO3 Rest
Kunststoff Heterogener Verbundkörper 0,69 (axial) (80 % BeO, Rest Kunststoff)
Man
kann also feststellen, daß man mit dem heterogenen Verbundkörper bzw. den heterogenen
Wärmeableitscheiben 1 zu Werten für den Wärmewiderstand gelangt, die in der Größenordnung
der Werte der Keramik selbst liegen, wogegen der Wert des Wärmewiderstandes für
den vergleichsweise angeführten homogenen Verbundkörper noch relativ hoch ist.
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Der homogene Verbundkörper erfordert also bei Einsatz eine Transformation
der Wärmestromdichte über z B. ein Wärmerohr 2 auf die geforderten Werte unterhalb
5 W/cm , wogegen die heterogene Wärmeableitscheibe 1 ohne eine solche Transformation
der Wärme stromdichte einsetzbar ist und somit bessere Anwendungsmöglichkeiten ,
insbesondere hinsichtlich der Integration von Leistungshalbleitern und deren Komponenten
zu Moduln bietet.
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Auf die heterogene Wärmeableitseyeibe 1 können auch Leiterbahnen aufgedampft
oder Widerstände in an sich bekannter Weise aufgestäubt werden (DE-Zeitschrift "Vakuum-Teehnik"
27. Jg.
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Heft 5, Seiten 141 bis 146). Wegen der möglichen hohen Wärme-2 stromdichte,
z.B. 50 W/cm , kann vorteilhaft ein 100 W-Wider-2 stand auf einer Scheibenfläche
von 2cm untergebracht werden.
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Eine sehr vorteilhafte Anwendung der heterogenen Wärmeableitscheibe
1 besteht in ihrer Kombination mit einer Bündelkontakt scheibe aus von Scheibenoberfläche
zu Scheibenoberfläche durchlaufenden vorverdrillten Drähten aus Silber oder Kupfer
gemäß der Patentanmeldung P (Anmeldung vom gleichen Tag). Eine solche Bündelkontaktscheibe
ist in Richtung der Scheibenebene hochelastisch.
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Falls z.B. für ein Leistungshalbleiterbauelement auf einer Seite ein
KupferKühlkörper potentialfrei anzuschließen ist, kann die heterogene Wärmeableitscheibe
1 zwischen Siliziumscheibe und Bündelkontaktscheibe eingefügt werden; die Bündelkontaktscheibe
schließt sich mit ihrer anderen Seite an den Kupfer-Kühlkörper
an.
Da die Ausdehnungsunterschiede zwischen Keramik und Kupfer nicht so hoch sind wie
die zwischen Silizium und Kupfer, könnte dabei sogar eine relativ dünne Kupferbündelscheibe
Anwendung finden. Der Vorteil dieser Variante bestände außerdem darin, daß sogar
Keramikscheiben (z.B.
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100 mm Durchmesser), die durch Pressen und Sintern relativ einfach
hergestellt werden können, mit Kupfer kontaktiert werden könnten. Im letzteren Fall
übernimmt die Kupferbündelscheibe die Kompensation der unterschiedlichen radialen
Ausdehnungen zwischen Kupfer und Keramik.