德国专利DE102004018476A1 Leistungshalbleiteranordnung

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专利摘要:
DieErfindung betrifft eine Leistungshalbleiteranordnung mit einem elektrischisolierenden und thermisch leitenden Substrat, das zumindest aufeiner Seite mit einer strukturierten Metallisierung versehen ist,einer Kühlvorrichtung,die mit der anderen Seite des Substrats in thermischem Kontakt steht,mindestens einem Halbleiterbauelement, das auf dem Substrat angeordnetist und mit der strukturierten Metallisierung elektrisch verbunden ist,einer ganz oder teilweise elektrisch isolierenden Folie, die zumindestauf der das mindestens eine Halbleiterbauelement tragenden Seitedes Substrats angeordnet ist und die auf das Substrat einschließlich oderausschließlichdes mindestens einen Halbleiterbauelements auflaminiert ist, undeiner Anpressvorrichtung, die auf das Substrat über das mindestens eine Halbleiterbauelementeine Kraft ausübt,derart, dass das Substrat gegen die Kühleinrichtung gedrückt wird.
公开号:DE102004018476A1
申请号:DE200410018476
申请日:2004-04-16
公开日:2005-11-03
发明作者:Thomas Dr. Licht
申请人:EUPEC GmbH；
IPC主号:H01L23-34

专利说明:
[0001] DieErfindung betrifft eine Leistungshalbleiteranordnung.
[0002] Leistungshalbleitermodulewie sie beispielsweise aus der DE 199 42 915 A1 oder der DE 101 42 971 A1 bekanntsind, weisen einen isolierenden und thermisch leitenden Träger (Substrat)und ein oder mehrere darauf angeordnete Leistungshalbleiterelementeauf. Diese sind überauf derselben Oberseite des Substrats ausgebildete metallische Leiterbahnen miteinandersowie mit Kontaktflächenbzw. Kontaktelementen elektrisch verbunden. Die ebenfalls metallische,beispielsweise kupferbeschichtete Unterseite des Substrats wirddurch Druckstückeauf einen Kühlkörper gepresst.Der Kühlkörper dientdazu, die bei Betrieb des Leistungshalbleitermoduls auftretendeWärme abzuführen. Dieoben dargelegten Leistungshalbleitermodule werden häufig alsbodenplattenlose Module bezeichnet, da zwischen dem Substrat unddem Kühlkörper keineZwischenplatte aus Metall vorgesehen ist.
[0003] Beider Anwendung von Leistungsmodulen ohne Bodenplatte ist es notwendig,die Keramiken fest an den Kühlerzu drücken,da im Gegensatz zu Modulen mit Bodenplatte kein mechanisch befestigterWärmeübergang(metallische Bodenplatte) vorhanden ist. Jedoch besteht bei denbisherigen bodenplattenlosen Leistungshalbleitermodulen das Problem,einen guten thermischen Kontakt herzustellen, ohne dabei die vonden Halbleiterelementen wegführenden,zur weiteren Kontaktierung vorgesehenen Bondverbindungen zu beschädigen. Aufgrund derBonddrähteist es nicht möglich,direkt auf die Chips zu drücken,um den bestmöglichenthermischen Kontakt zwischen den Wärmequellen (Leistungshalbleiterbauelemente)und überdas Substrat hinweg mit dem Kühlkörper zuerzielen. Die Forderung nach einem ausreichenden thermischen Kontaktzum Kühlkörper unddie Tatsache, dass nur an bestimmten Stellen Druck auf das Substratausgeübt werdenkann, führenhäufigzu deutlichen Einschränkungenbei der Anwendung derartiger Leistungshalbleitermodule.
[0004] Beiden bekannten Leistungshalbleitermodulen werden im Umfeld der Halbleiterbauelementeauf dem Substrat Stellen freigehalten, auf denen mittels Stempelnoder Federkontakten Druck auf das Substrat aufgebracht wird. Dabeidrückenkleine Stempel, Stifte usw. auf das Substrat. Da die freie Fläche allerdingsbeschränktist, muss daher immer ein Optimum zwischen elektrisch nutzbarerFlächeund notwendiger Flächezur Aufbringung der Druckkontaktflächen gefunden werden. Der Nachteilliegt hier in dem Flächenbedarffür dieDruckstellen und der Tatsache, dass auf den eigentlichen Stellen,die einen guten Wärmekontaktbenötigen,nicht direkt Druck aufgebracht werden kann, da diese mit Bonddrähten versehensind. Aus der DE 199 03 875 isteine Anordnung bekannt, bei der anstelle von Bonddrähten eine spezielleDruckkontaktierung vorgesehen wird. Diese ist jedoch sehr aufwendig,bei bestimmten Anwendungen auch störanfällig und nur für einenbegrenzten Anwendungsbereich einsetzbar.
[0005] Aufgabeder Erfindung ist es daher, eine Leistungshalbleiteranordnung anzugeben,die mit verringertem Aufwand eine verbesserte Entwärmung derLeistungshalbleiterelemente erlaubt.
[0006] DieAufgabe wird gelöstdurch eine Leistungshalbleiteranordnung gemäß Patentanspruch 1. Ausgestaltungenund Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand vonUnteransprüchen.
[0007] Erfindungsgemäß werdendurch die Kontaktierung der Anschlussflächen von Leistungshalbleiterelementenmittels Folienlaminiertechnik anstelle von Bondtechnik großflächige Kontaktflächen erzeugt,bei denen es nun vorgesehen ist, auf diese direkt mit Stempeln,Stiften usw. Druck auszuüben,so dass die Halbleiterbauelemente den maximalen Wärmekontakterzielen und somit eine sehr gute thermische Anbindung exakt ander Stelle der Wärmeerzeugungerreicht wird. Durch das Aufdrückenan den heißestenStellen des Moduls kann somit eine optimale Entwärmung erfolgen.
[0008] ImEinzelnen umfasst eine erfindungsgemäße Leistungshalbleiteranordnungein elektrisch isolierendes und thermisch leitendes Substrat, dasszumindest auf einer Seite mit einer strukturierten Metallisierungversehen ist. Als Substrate kommen beliebige Schaltungsträger auforganischer oder anorganischer Basis infrage. Solche Substrate sindbeispielsweise PCB (Printed Circuit Board), DCB (Direkt Copper Bonding),IM (Insulated Metal), HTCC (High Temperature Cofired Ceramics) undLTCC (Low Temperature Cofired Ceramics). Diese Substrate weisenzumindest auf einer Seite eine Metallisierung beispielsweise ausKupfer oder Aluminium auf. Die Seite des Substrats, auf der dieLeistungshalbleiterelemente angeordnet sind, weist dabei bevorzugteine strukturierte Metallisierung (z. B. Leiterbahnen) zum Kontaktierender Leistungshalbleiterelemente untereinander sowie mit anderenBauelementen und Kontaktelementen auf.
[0009] Aufder anderen Seite des Substrats ist eine Kühlvorrichtung wie beispielsweiseein Kühlkörper, einKühlblockoder eine Kühlplattevorgesehen, welche in thermischem Kontakt mit dem Substrat steht. DieKühlvorrichtungdient dazu, unmittelbar das Substrat und damit mittelbar auf demSubstrat angeordnete Bauelemente zu entwärmen.
[0010] AlsBauelement ist mindestens ein Halbleiterbauelement vorgesehen, dasauf dem Substrat auf der der Kühlvorrichtungabgewandten Seite angeordnet ist und mit der strukturierten Metallisierungelektrisch verbunden ist. Überdas mindestens eine Halbleiterbauelement sowie über weitere Bauelemente, Kontaktelementesowie freie Stellen des Substrats hinweg, erstreckt sich großflächig eineganz oder teilweise elektrisch isolierende Folie, die durch aufAuflaminieren großflächig befestigtist. Wie bereits erwähnt,kann diese Folie einerseits ausschließlich zur Isolation dienen,andererseits aber auch mit Leitungsstrukturen wie beispielsweiseLeiterbahnen, Leiterflächenund ähnlichemversehen sein, so dass sie wie eine flexible Leiterplatte wirkt.Die Leiterbahnen könnendabei aus Metall oder leitendem Kunststoff bestehen. Darüber hinauskann auch ein Verbund mehrerer Folien verwendet werden, das heißt mehrereSchichten von Folien und Metallisierungen etc. übereinander, wobei die Schichtenin beliebiger Reihenfolge und Ausgestaltung isolierend und/oder teilweiseelektrische leitend bzw. vollständigelektrisch leitend sein können.
[0011] Schließlich isterfindungsgemäß eine Anpressvorrichtungvorgesehen, die auf das Substrat über das mindestens eine Halbleiterbauelementeine Kraft ausübtderart, dass das Substrat gegen die Kühleinrichtung gedrückt wird.Anpressvorrichtung und Kühlvorrichtungsind also derart angeordnet, dass alle zwischen ihnen angeordnetenElemente, das heißtHalbleiterbauelemente, Bauelemente, Kontaktelemente, Folien, Substratusw. zusammengedrücktund damit eine Wärmeableitungzum Kühlkörper ermöglicht wird.Dies ist insbesondere wichtig im Hinblick auf das mindestens eineHalbleiterbauelement, das bei Leistungshalbleiteranordnungen die wesentlicheWärmequelledarstellt.
[0012] DieAnpressvorrichtung kann dabei ein elastisches Element aufweisen,das die Kraft zum andrückendes Substrates bereitstellt. Als elastische Elemente kommen beispielsweiseFedern oder federnde Elemente, Kissen aus elastischem Material oder ähnlichesinfrage. Dabei kann das elastische Element direkt an der gewünschtenStelle angreifen oder aber indirekt mittels eines starren Elements.Derartige starre Elemente sind beispielsweise Stifte, Stempel, Blöcke odersonstige zur Druckübertragungund Druckeinbringung an den gewünschtenStellen geeignete Elemente. Zum Abstützen der Anpressvorrich tungan der Kühleinrichtungkönnenfedernde oder starre Bügel,Gehäuseoder Gehäuseteileoder sonstige Stützkonstruktionenverwendet werden. Die Folie bzw. die Folien können entweder über dasmindestens eine Halbleiterbauelement hinweg sich erstrecken oderaber im Bereich des mindestens einen Halbleiterbauelements eineAussparung aufweisen, wobei dann je nach Fall, die Anpressvorrichtungmittelbar (überdie Folie bzw. Folien) oder unmittelbar, das heißt direkt auf das Halbleiterbauelementeinwirkt. Fürden Fall, dass die Anpressvorrichtung direkt mit dem Halbleiterbauelementin Berührung kommt,kann zudem vorgesehen werden, dass die Anpressvorrichtung auch zumEntwärmenbzw. zum elektrischen Kontaktieren des mindestens einen Halbleiterbauelementsvorgesehen wird.
[0013] DieAnpressvorrichtung kann aber auch dazu eingesetzt werden, freieStellen des Substrats, andere Bauelemente oder Kontaktelemente fallsnötig gegendie Kühleinrichtungzu drücken.
[0014] Umeinen guten Wärmeübergangzwischen Substrat und Kühlvorrichtungzu bewirken, kann vorteilhafter Weise das Substrat eine vollständige oder teilweiseMetallisierung beispielsweise mit Kupfer oder Aluminium aufweisen.
[0015] DieErfindung wird nachfolgend anhand der in den Figurenzeichnungendargestellten Ausführungsbeispieleerläutert.Es zeigt:
[0016] 1 eineerste allgemeine Ausführungsformeiner erfindungsgemäßen Leistungshalbleiteranordnung,
[0017] 2 eineerste alternative Ausführungsformeiner Anpressvorrichtung fürein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodulund
[0018] 3 einezweite alternative Ausführungsformfür eineAnpressvorrichtung fürein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul,
[0019] 4 einedritte alternative Ausführungsformfür eineAnpressvorrichtung fürein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul,und
[0020] 5 einevierte alternative Ausführungsformfür eineAnpressvorrichtung fürein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul.
[0021] Indem Ausführungsbeispielnach 1 ist auf einen als Kühlvorrichtung dienenden, Kühlrippen aufweisendenKühlkörper 1 einSubstrat 2 angebracht, das an ihrer zum Kühlkörper 1 zugewandten Seiteeine durchgängigeMetallisierung 3 (beispielsweise Kupfer- oder Aluminium-Metallisierung)aufweist. Die andere Seite des Substrats 2 weist eine strukturierteMetallisierung 4 auf, auf der zwei Halbleiterbauelemente 5 und 6 aufgelötet sind.Auf das Substrat 2 sind über die Halbleiterbauelemente 5 und 6 sowiedie Metallisierung 4 hinweg eine Folie 7 auflaminiert,wobei die Folie 7 überdem Halbleiterbauelement 6 eine Aussparung aufweist. Über dievorstehend genannte Anordnung hinweg ist ein federnder Bügel 8 isoliertan dem Kühlkörper 1 befestigtderart, dass zwischen dem Bügel 8 undder obersten Schicht der Anordnung, der auflaminierten Folie 7 einbestimmter Abstand gegeben ist.
[0022] DerBügel 8 istfedernd ausgeführtund weist an den Stellen, die den Halbleiterbauelementen 5 und 6 sowieeiner nur die Metallisierung 4 aufweisenden Stelle desSubstrats 2 gegenüberliegendenStelle 9 zum Substrat 2 hin gerichtete Ausformungen 10 auf.Zwischen die Ausformungen 10 und der Stelle 9 bzw.den Halbleiterbauelementen 5 und 6 sind Metallstempel 11 inentsprechender Längeeingefügt, welchedie von dem Bügel 8 bereitgestellteFederkraft starr auf die Stelle 9 bzw. die Halbleiterbauelemente 5 und 6 übertragen.Auf diese Weise wird das Substrat 2 insbesondere an denentsprechenden Stellen gegen den Kühlkörper 1 gedrückt. Damitwird im Falle der Halbleiterbauelemente 5 und 6 dieeigentliche Wärmequelleselbst mittelbar überdas Substrat gegen den Kühlkörper gepresstund somit eine bessere Entwärmungerzielt. Die Krafteinleitung an der Stelle 9 hingegen dientrein zur generellen Stabilisierung und Befestigung des Substrats 2.
[0023] Daim vorliegenden Fall die Stempel voll aus Metall gefertigt sind,könnendiese zum Einen ebenfalls Wärmeaufnehmen und beispielsweise an den Bügel 8 weiterleitenund zum Anderen im Falle des Halbleiterbauelementes 6 diesesauch elektrisch kontaktieren, da das Halbleiterbauelement 6 nicht vonder Folie 7 überdecktwird. Der Anschlussbügel 8 wirddaher auch als elektrische Stromschiene verwendet.
[0024] Inden 2 bis 5 sind verschiedene Ausführungsformenvon Anpresseinrichtungen gezeigt, wobei der Einfachheit halber jeweilsnur von einem einzigen Halbleiterbauelement 12 ausgegangen wird,das auf die Metallisierung 13 eines Substrats 14 befestigtist. Das Substrat 14 ist nur einseitig metallisiert undsteht mit seiner anderen Seite mit einem Kühlkörper 15 in Berührung. Über dieAnordnung aus Substrat 14, Metallisierung 13 undHalbleiterbauelement 12 ist eine Folie 15 auflaminiert,wobei bei den Ausführungsbeispielennach 3 und 5 die Folie über dem Halbleiterbauelement 12 eineAussparung aufweist.
[0025] Beidem Ausführungsbeispielnach 2 ist ein Gehäusedeckel 17 vorgesehen,der beispielsweise aus Kunststoff besteht und der im Bereich des Halbleiterbauelementes 12 einezu diesem hin gerichtete Ausformung mit einstückig angeformtem Stempel 18 aufweist.Der Gehäusedeckel 17 selbst istelastisch und im Bereich der Anformung des Stempels 18 durcheine Querschnittsverjüngung 19 nochelastischer gehalten.
[0026] Beidem Ausführungsbeispielnach 3 wird ein starrer Deckel 20 aus Metallverwendet. Gegen diesen Deckel 20 stützt sich eine Spiralfeder einerseitsab, die andererseits direkt auf das Halbleiterelement 12 drückt, sodass dieses wiederum über dasSubstrat 14 gegen den Kühlkörper 15 gedrückt wirdzum Zwecke der Entwärmungdes Halbleiterbauelementes 12. Da die Spiralfeder 21 undder Gehäusedeckel 20 ausMetall gefertigt sind, könnenbeide ähnlichwie die beim Ausführungsbeispielnach 1 zur Kontaktierung des Halbleiterbauelementes 12 herangezogenwerden.
[0027] Dasin 4 gezeigte Ausführungsbeispiel geht aus demin 2 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch hervor,dass die Ausformung im Bereich des Halbleiterbauelementes 12 hohlzylinderförmig einenBodenabschnitt 22 bildend ausgeformt ist. Dieser Bodenabschnitt 22 dientdabei zum Andrückenunmittelbar an die Folie 16 und über diese mittelbar auf dasHalbleiterbauelement 12. Die Kraft wird dabei durch dieElastizitätdes aus Kunststoff gefertigten Deckels 17 erzeugt.
[0028] DasAusführungsbeispielnach 5 geht schließlichaus dem Ausführungsbeispielnach 3 dadurch hervor, dass die Spiralfeder 21 durchein elektrisch leitendes elastisches Gummikissen ersetzt wird.
[0029] Dieoben genannten Anordnungen könnenin beliebiger Weise abgeändertwerden und fürbeliebige Leistungshalbleiteranordnungen auch im Umfang von passivenBauelementen, aktiven Steuerungselementen (z.B. integrierten Schaltungen)sowie Kontakt- und Stromführungselementenverwendet werden. Es könnendabei isolierende, teilweise isolierende, vollständig leitende Folien und darausgebildete Folienverbunde einschließlich Metalllagen in gleicher Weiseverwendet werden. Als Material fürisolierende Folien bzw. den isolierenden Teil von Folien werden vorzugsweisePolyimid-, Polyethylen-, Polyphenol-, Polyetheretherketon- und/oderEpoxidmaterialien verwendet. Das Laminieren kann unter Druck oderim Vakuum und bei Raumtemperatur oder bevorzugt höheren Temperaturenim speziellen Laminierkammern erfolgen.
[0030] Durchdie Kontaktierung der Anschlussflächen mittels Fototechnik können großflächig Kontaktflächen erzeugtwerden. Erfindungsgemäß dabeinun vorgesehen, auf diese Flächendirekt mit Stempeln oder Stiften Druck auf die gesamte Anordnungauszuüben.Besonders vorteilhaft ist dabei, dass es möglich ist, direkt über dasLeistungshalbleiterbauelement mittels eines Stempels, einer Feder,eines Stifts oder dergleichen aufzudrücken und somit hier für eine sehrgute thermische Anbindung exakt an der Stelle der Wärmeerzeugungzu sorgen. Durch das exakte Aufdrücken an den heißesten Stellendes so erzeugten Leistungshalbleitermoduls kann somit eine optimaleEntwärmungerfolgen. Darüberhinaus kann auch der Druckstempel als Entwärmungsmittel genutzt werden.Je nach Ausbildung einer Isolationsschicht, kann der Stempel nurdie Funktion eines Druckstempels, aber auch zusätzlich bei Weglassen der Isolationdirekt als Stromanschluss dienen. Darüber hinaus wird durch dieseMaßnahmedie Entwärmungweiter verbessert.
1 Kühlkörper 2 Substrat 3 durchgängige Metallisierung 5,6 Halbleiterbauelemente 7 Folie 8 Bügel 9 Stelle 10 Ausformungen 11 Metallstempel 12 Halbleiterbauelement 13 Metallisierung 14 Substrat 15 Kühlkörper 16 Folie 17 Gehäusedeckel 18 Stempel 19 Querschnittsverjüngung 20 starrerDeckel 21 Spiralfeder 22 Bodenabschnitt 23 Anpressvorrichtung

权利要求:
Claims (10)
[1] Leistungshalbleiteranordnung mit einem elektrischisolierenden und thermisch leitenden Substrat (2, 14),das zumindest auf einer Seite mit einer strukturierten Metallisierung(4, 13) versehen ist, einer Kühlvorrichtung(1, 15), die mit der anderen Seite des Substrats(2, 14) in thermischem Kontakt steht, mindestenseinem Halbleiterbauelement (5, 6, 12), dasauf dem Substrat (2, 14) angeordnet ist und mit derstrukturierten Metallisierung (4, 13) elektrischverbunden ist, einer ganz oder teilweise elektrisch isolierendenFolie (7, 16), die zumindest auf der das mindestenseine Halbleiterbauelement (5, 6, 12)tragenden Seite des Substrats (2, 14) angeordnetist und die auf das Substrat (2, 14) einschließlich oderausschließlichdes mindestens einen Halbleiterbauelementes (5, 6, 12) auflaminiertist, und einer Anpressvorrichtung (8, 11, 17, 29, 21, 22, 23), dieauf das Substrat (2, 14) über das mindestens eine Halbleiterbauelement(5, 6, 12) eine Kraft ausübt derart,dass das Substrat (2, 14) gegen die Kühleinrichtung(1, 15) gedrücktwird.
[2] Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 1, beidem die Anpressvorrichtung (8, 11, 17, 20, 21, 22, 23)ein elastisches Element (8, 17, 21, 22, 23) aufweist,das die Kraft zum Andrückendes Substrates (2, 14) bereitstellt.
[3] Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 2, beidem die Anpressvorrichtung (8, 11, 17, 20, 21, 22, 23)ein zwischen dem elastischen Element (8, 19) unddem mindestens einen Halbleiterbauelement (5, 6, 12)angeordnetes starres Element aufweist.
[4] Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 1, beidem die Anpressvorrichtung (8, 11, 17, 20, 21, 22, 23)an der Kühleinrichtung(1, 15) abgestütztist.
[5] Leistungshalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis4, bei dem die auflaminierte Folie (7, 16) sich über mindestensein Halbleiterbauelement (5, 12) hinweg erstrecktund die Anpressvorrichtung (8, 11, 17, 20, 21, 22, 23) über dieFolie (7, 16) und das mindestens eine Halbleiterbauelement(5, 12) eine Kraft auf das Substrat (2, 14)ausübt.
[6] Leistungshalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis4, bei dem die auflaminierte Folie (7, 16) imBereich des mindestens einen Halbleiterbauelements (6, 12)eine Aussparung aufweist und die Anpressvorrichtung (8, 11, 17, 20, 21, 22, 23)durch die Aussparung hindurch und über das mindestens eine Halbleiterbauelement(6, 12) eine Kraft auf das Substrat (2, 14)ausübt.
[7] Leistungshalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis6, bei dem die Anpressvorrichtung (8, 11, 17, 20, 21, 22, 23)auch zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterbauelements (6, 12)vorgesehen ist.
[8] Leistungshalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis7, bei dem die Anpressvorrichtung (11) auch zur Entwärmung desHalbleiterbauelements (6) vorgesehen ist.
[9] Leistungshalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis8, bei dem die Anpressvorrichtung (8, 11) auchan anderen Stellen (9) als an Halbleiterbauelemente (5, 6)aufweisenden Stellen eine Kraft auf das Substrat (2) ausübt.
[10] Leistungshalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis9, bei dem das Substrat (2) auf der der Kühleinrichtungzugewandten Seite eine Metallisierung (3) aufweist.

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法律状态:
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2006-08-17| 8127| New person/name/address of the applicant|Owner name: INFINEON TECHNOLOGIES AG, 81669 MüNCHEN, DE |

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2011-05-26| 8331| Complete revocation|

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2013-08-29| R082| Change of representative|Representative=s name: OANDO OPPERMANN & OPPERMANN LLP, DE |

优先权:

申请号 | 申请日 | 专利标题

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US11/107,225| US7557442B2|2004-04-16|2005-04-15|Power semiconductor arrangement|

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