DE4335525A1 - Kühlanordnung - Google Patents

Kühlanordnung

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DE4335525A1
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Walter Dipl I Roethlingshoefer
Lothar Dr Schmidt
Ulrich Dr Goebel
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Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Kühlanordnung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist bereits bekannt, bei Hybridschaltungen Halb­ leiterbauelemente auf Keramiksubstraten anzuordnen, um diese mit weiteren Bauelementen zu einer Hybridschaltung zu vereinen. Insbe­ sondere bei Leistungshalbleitern entsteht dabei eine hohe Abwärme, die durch das Keramiksubstrat, welches einen schlecht wärmeleitenden Körper darstellt, nur ungenügend abgeführt wird.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Kühlanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß ein gut wärme­ leitender Übergang vom Halbleiterbauelement zu einem Kühlsubstrat eine gute Wärmeabfuhr bewirkt. Dadurch wird die Zuverlässigkeit des Bauelements und somit der gesamten Hybridschaltung erhöht.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Kühlanordnung möglich. Besonders vorteilhaft ist es, den Kühlfinger mittels eines gut wärmeleitenden Klebstoffs auf dem Kühl­ substrat zu befestigen, da so ein guter Übergang der Wärme auf den Körper des Kühlsubstrats gewährleistet ist, wodurch sich die Wärme­ abstrahlung vorteilhaft erhöht. Ebenso dient die Verbindung des Halbleiterbauelements mit dem Kühlkörper mittels eines gut wärmelei­ tenden Klebstoffs einer vorteilhaften Erniedrigung des Wärmeüber­ gangswiderstands und somit einer Erhöhung des Wärmeflusses in Rich­ tung Kühlsubstrat. Wenn Kühlkörper und Halbleiterbauelement nahezu den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, so wird die mechanische Verbindung zwischen Halbleiterbauelement und Kühlkörper durch thermische Spannungen nicht belastet, was den Vorteil der me­ chanischen Stabilität mit sich bringt. Überragt der Kühlkörper das Halbleiterbauelement in seinen Außenmaßen, kann auch bereits die überstehende Oberfläche des Kühlkörpers zur Wärmeabstrahlung dienen, was einen weiteren Vorteil darstellt. Eine Anpassung des Kühlfingers an die Form der Aussparung vereint die Funktion des Kühlfingers als Wärmeleiter mit seiner mechanischen Verankerung in der Aussparung. Dadurch entsteht der Vorteil des Verhinderns des Herausfallens des Kühlkörpers aus dem schlecht wärmeleitenden Substrat. Durch die An­ passung der Länge des Kühlfingers an die Dicke des schlecht wärme­ leitenden Substrats kann das Kühlsubstrat unmittelbar unter dem schlecht wärmeleitenden Substrat angeordnet werden, bzw. sogar das Kühlsubstrat vor der Befestigung des Kühlkörpers auf dem schlecht wärmeleitenden Substrat an diesem befestigt werden. Dadurch entsteht der Vorteil, daß keine feste Reihenfolge bei der Herstellung der Kühlanordnung befolgt werden muß. Durch die Anordnung mehrerer Kühl­ finger in Maxtrixform kann der wärmeleitende Effekt der Kühlanord­ nung vervielfacht werden. Leiterbahnen, die unter dem Kühlkörper entlanglaufen, können zwischen den in Matrixform angeordneten Kühl­ fingern hindurchgeführt sein.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 die Kühlanordnung in perspektivischer Ansicht,
Fig. 2 die Kühlanordnung in einer durchgeschnittenen Seitenansicht.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In den Fig. 1 und 2 ist eine Kühlanordnung dargestellt. Ein fla­ ches quaderförmiges Halbleiterbauelement 10 weist zwei quadratische Kontaktflecken 19 an seiner Oberseite auf. Auf einem scheibenförmi­ gen, schlecht wärmeleitenden Substrat 12 befinden sich weitere Bau­ elemente 17, die an Leiterbahnen 16 angeschlossen sind. Von den Lei­ terbahnen 16 führen Anschlußdrähte 18 zu den Kontaktflecken 19 des Halbleiterbauelements 10. Das Halbleiterbauelement 10 ist auf einem flachen quaderförmigen Kühlkörper 11 aufgebracht, der wiederum auf dem schlecht wärmeleitenden Substrat 12 aufgebracht ist. Der Kühl­ körper 11 weist an seiner Unterseite in Matrixform angeordnete zy­ lindrische Kühlfinger 14 auf, die in entsprechend geformte Ausspa­ rungen 15 im schlecht wärmeleitenden Substrat 12 hineinragen. Die Unterseite des Kühlkörpers 11 liegt auf der Oberseite des schlecht wärmeleitenden Substrats 12 auf. Das schlecht wärmeleitende Substrat 12 ist mit seiner Unterseite auf der Oberseite eines flachen Kühl­ substrats 13 befestigt. Die Kühlfinger 14 berühren die Oberseite des Kühlsubstrats 13. Zwischen Halbleiterbauelement 10 und Kühlkörper 11 sowie zwischen den Kühlfingern 14 und dem Kühlsubstrat 13 befindet sich eine wärmeleitfähige Klebeschicht.
Durch das Halbleiterbauelement 10 abgegebene Wärme gelangt über den Kühlkörper 11 und die daran angeformten Kühlfinger 14 an das Kühl­ substrat 13. Somit bilden die Kühlfinger 14 eine Wärmebrücke, um die Wärme vom Halbleiterbauelement 10 durch das schlecht wärmeleitende Substrat 12 zum Kühlsubstrat 13 zu leiten, von wo aus die Wärme ab­ geführt werden kann. Diese Anordnung eignet sich besonders für Hy­ bridschaltungen, da diese meist auf einem Keramiksubstrat aufgebaut sind, welches bekanntermaßen eine schlechte Wärmeleitfähigkeit auf­ weist.

Claims (8)

1. Kühlanordnung für ein Halbleiterbauelement mit einem schlecht wärmeleitenden Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlkörper (11) zwischen dem Halbleiterbauelement (10) und dem schlecht wärme­ leitenden Substrat (12) angeordnet ist, der wenigstens einen Kühl­ finger (14) aufweist, der durch eine Aussparung (15) im schlecht wärmeleitenden Substrat (12) ragt und zu einem unter dem schlecht wärmeleitenden Substrat (12) angeordneten Kühlsubstrat (13) einen gut wärmeleitenden Übergang bildet.
2. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlfinger (14) mittels eines gut wärmeleitenden Klebstoffs auf dem Kühlsubstrat (13) befestigt ist.
3. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kühlkörper (11) mittels eines gut wärmeleitenden Klebstoffs am Halbleiterbauelement (10) befestigt ist.
4. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kühlkörper (11) nahezu den gleichen Wärmeausdeh­ nungskoeffizienten aufweist, wie das Halbleiterbauelement (10).
5. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kühlkörper (11) das Halbleiterbauelement (10) in seinen Außenmaßen überragt.
6. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der wenigstens eine Kühlfinger (14) der Form der Aus­ sparung (15) in seiner Form angepaßt ist.
7. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der wenigstens eine Kühlfinger (14) genauso lang ist, wie die Dicke des schlecht wärmeleitenden Substrats (12).
8. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Kühlfinger (14) vorgesehen sind, die in einer Matrixform angeordnet sind.
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