DE102004018476B4

DE102004018476B4 - Leistungshalbleiteranordnung mit kontaktierender Folie und Anpressvorrichtung

Info

Publication number: DE102004018476B4
Application number: DE102004018476A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Licht
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2004-04-16
Filing date: 2004-04-16
Publication date: 2009-06-18
Anticipated expiration: 2024-04-17
Also published as: US7557442B2; US20050230820A1; DE102004018476A1

Abstract

Leistungshalbleiteranordnung mit
einem elektrisch isolierenden 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,
mindestens einem Halbleiterbauelement (5, 6, 12), das auf dem Substrat (2, 14) angeordnet ist und mit der strukturierten Metallisierung (4, 13) elektrisch verbunden ist,
einer teilweise elektrisch isolierenden Folie (7, 16) mit Leitungsstrukturen, die zumindest auf der das mindestens eine Halbleiterbauelement (5, 6, 12) tragenden Seite des Substrats (2, 14) angeordnet ist und die auf das Substrat (2, 14) und das mindestens eine Halbleiterbauelement (5, 6, 12) letzteres großflächig kontaktierend auflaminiert ist, und
einer Anpressvorrichtung (8, 11, 17, 20, v 23, 22) mit mindestens einem partiellen elastischen Element (10, 19) im Bereich des jeweiligen Halbleiterbauelementes (5, 6, 12), das über die Folie (7,...

Description

Die Erfindung betrifft eine Leistungshalbleiteranordnung.
Leistungshalbleitermodule wie sie beispielsweise aus der DE 199 42 915 A1 oder der DE 101 42 971 A1 bekannt sind, weisen einen isolierenden und thermisch leitenden Träger (Substrat) und ein oder mehrere darauf angeordnete Leistungshalbleiterelemente auf. Diese sind über auf derselben Oberseite des Substrats ausgebildete metallische Leiterbahnen miteinander sowie mit Kontaktflächen bzw. Kontaktelementen elektrisch verbunden. Die ebenfalls metallische, beispielsweise kupferbeschichtete Unterseite des Substrats wird durch Druckstücke auf einen Kühlkörper gepresst. Der Kühlkörper dient dazu, die bei Betrieb des Leistungshalbleitermoduls auftretende Wärme abzuführen. Die oben dargelegten Leistungshalbleitermodule werden häufig als bodenplattenlose Module bezeichnet, da zwischen dem Substrat und dem Kühlkörper keine Zwischenplatte aus Metall vorgesehen ist.
Bei der Anwendung von Leistungsmodulen ohne Bodenplatte ist es notwendig, die Keramiken fest an den Kühler zu drücken, da im Gegensatz zu Modulen mit Bodenplatte kein mechanisch befestigter Wärmeübergang (metallische Bodenplatte) vorhanden ist. Jedoch besteht bei den bisherigen bodenplattenlosen Leistungshalbleitermodulen das Problem, einen guten thermischen Kontakt herzustellen, ohne dabei die von den Halbleiterelementen wegführenden, zur weiteren Kontaktierung vorgesehenen Bondverbindungen zu beschädigen. Aufgrund der Bonddrähte ist es nicht möglich, direkt auf die Chips zu drücken, um den bestmöglichen thermischen Kontakt zwischen den Wärmequellen (Leistungshalbleiterbauelemente) und über das Substrat hinweg mit dem Kühlkörper zu erzielen. Die Forderung nach einem ausreichenden thermischen Kontakt zum Kühlkörper und die Tatsache, dass nur an bestimmten Stellen Druck auf das Substrat ausgeübt werden kann, führen häufig zu deutlichen Einschränkungen bei der Anwendung derartiger Leistungshalbleitermodule.
Bei den bekannten Leistungshalbleitermodulen werden im Umfeld der Halbleiterbauelemente auf dem Substrat Stellen freigehalten, auf denen mittels Stempeln oder Federkontakten Druck auf das Substrat aufgebracht wird. Dabei drücken kleine Stempel, Stifte usw. auf das Substrat. Da die freie Fläche allerdings beschränkt ist, muss daher immer ein Optimum zwischen elektrisch nutzbarer Fläche und notwendiger Fläche zur Aufbringung der Druckkontaktflächen gefunden werden. Der Nachteil liegt hier in dem Flächenbedarf für die Druckstellen und der Tatsache, dass auf den eigentlichen Stellen, die einen guten Wärmekontakt benötigen, nicht direkt Druck aufgebracht werden kann, da diese mit Bonddrähten versehen sind. Aus der DE 199 03 875 A1 ist eine Anordnung bekannt, bei der anstelle von Bonddrähten eine spezielle Druckkontaktierung vorgesehen wird. Diese ist jedoch sehr aufwendig, bei bestimmten Anwendungen auch störanfällig und nur für einen begrenzten Anwendungsbereich einsetzbar.
Aus der DE 101 21 970 A1 ist ein Leistungshalbleitermodul mit Druckkontaktierung bekannt. Auf einem keramischen Substrat, das mit einem Kühlkörper in thermischem Kontakt steht, befinden sich eine strukturierte metallische Kontaktierung sowie Halbleiterbauelemente. Zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterbauelemente ist eine Leiterplatte vorgesehen, die flexibel ausgebildet sein kann und die isolierte Leiterbahnen umfasst. Die flexible Leiterplatte ist auf die strukturierte Metallisierung auflaminiert. Weiterhin ist eine Anpressvorrichtung vorgesehen, die eine Druckplatte und einen Druckspeicher umfasst, mittels denen die Leiterplatte gegen das Substrat gedrückt wird. Der Druckspeicher und die Druckplatte können daneben auch ein Anpressen des Substrates an den Kühlkörper bewirken.
Aus der DE 694 13 160 T2 ist ein Halbleiterbauelement mit Druckkontakt bekannt. Auf einer ersten Elektrodenplatte ist ein IGBT angeordnet und mittels eines Kontaktanschlusskörpers kontaktiert. Eine zweite Elektrodenplatte presst den Kontaktanschlusskörper gegen die erste Elektrodenplatte und den IGBT. Die zweite Elektrodenplatte stellt damit eine Anpressvorrichtung dar.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Leistungshalbleiteranordnung anzugeben, die mit verringertem Aufwand eine verbesserte Entwärmung der Leistungshalbleiterelemente erlaubt.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Leistungshalbleiteranordnung gemäß Patentanspruch 1. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß werden durch die Kontaktierung der Anschlussflächen von Leistungshalbleiterelementen mittels 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 Wärmekontakt erzielen und somit eine sehr gute thermische Anbindung exakt an der Stelle der Wärmeerzeugung erreicht wird. Durch das Aufdrücken auf diese heißen Stellen des Moduls kann somit eine optimale Entwärmung erfolgen.
Im Einzelnen umfasst eine erfindungsgemäße Leistungshalbleiteranordnung ein elektrisch isolierendes und thermisch leitendes Substrat, das zumindest auf einer Seite mit einer strukturierten Metallisierung versehen ist. Als Substrate kommen beliebige Schaltungsträger auf organischer oder anorganischer Basis infrage. Solche Substrate sind beispielsweise PCB (Printed Circuit Board), DCB (Direkt Copper Bonding), IM (Insulated Metal), HTCC (High Temperature Cofired Ceramics) und LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics). Diese Substrate weisen zumindest auf einer Seite eine Metallisierung beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium auf. Die Seite des Substrats, auf der die Leistungshalbleiterelemente angeordnet sind, weist dabei bevorzugt eine strukturierte Metallisierung (z. B. Leiterbahnen) zum Kontaktieren der Leistungshalbleiterelemente untereinander sowie mit anderen Bauelementen und Kontaktelementen auf.
Auf der anderen Seite des Substrats ist eine Kühlvorrichtung wie beispielsweise ein Kühlkörper, ein Kühlblock oder eine Kühlplatte vorgesehen, welche in thermischem Kontakt mit dem Substrat steht. Die Kühlvorrichtung dient dazu, unmittelbar das Substrat und damit mittelbar auf dem Substrat angeordnete Bauelemente zu entwärmen.
Als Bauelement ist mindestens ein Halbleiterbauelement vorgesehen, das auf dem Substrat auf der der Kühlvorrichtung abgewandten Seite angeordnet ist und mit der strukturierten Metallisierung elektrisch verbunden ist. Über das mindestens eine Halbleiterbauelement sowie über weitere Bauelemente, Kontaktelemente sowie freie Stellen des Substrats hinweg, erstreckt sich großflächig eine teilweise elektrisch isolierende Folie, die durch auf Auflaminieren großflächig befestigt ist. Wie bereits erwähnt, ist diese Folie mit Leitungsstrukturen wie beispielsweise Leiterbahnen, Leiterflächen und ähnlichem versehen, so dass sie wie eine flexible Leiterplatte wirkt. Die Leiterbahnen können dabei aus Metall oder leitendem Kunststoff bestehen. Darüber hinaus kann auch ein Verbund mehrerer Folien verwendet werden, das heißt mehrere Schichten von Folien und Metallisierungen etc. übereinander, wobei die Schichten in beliebiger Reihenfolge und Ausgestaltung isolierend und/oder teilweise elektrisch leitend bzw. vollständig elektrisch leitend sein können.
Schließlich ist erfindungsgemäß eine Anpressvorrichtung vorgesehen, die auf das Substrat über das mindestens eine Halbleiterbauelement eine Kraft ausübt derart, dass das Substrat an die Kühleinrichtung gedrückt wird. Anpressvorrichtung und Kühlvorrichtung sind also derart angeordnet, dass alle zwischen ihnen angeordneten Elemente, das heißt Halbleiterbauelemente, Bauelemente, Kontaktelemente, Folien, Substrat usw. zusammengedrückt und damit eine Wärmeableitung zum Kühlkörper ermöglicht wird. Dies ist insbesondere wichtig im Hinblick auf das mindestens eine Halbleiterbauelement, das bei Leistungshalbleiteranordnungen die wesentliche Wärmequelle darstellt.
Die Anpressvorrichtung weist dabei ein elastisches Element auf, das die Kraft zum Andrücken des Substrates bereitstellt. Als elastische Elemente kommen beispielsweise Federn oder federnde Elemente, Kissen aus elastischem Material oder Ähnliches infrage. Dabei kann das elastische Element direkt an der gewünschten Stelle angreifen oder aber indirekt mittels eines starren Elements. Derartige starre Elemente sind beispielsweise Stifte, Stempel, Blöcke oder sonstige zur Druckübertragung und Druckeinbringung an den gewünschten Stellen geeignete Elemente. Zum Abstützen der Anpressvorrichtung an der Kühleinrichtung können federnde oder starre Bügel, Gehäuse oder Gehäuseteile oder sonstige Stützkonstruktionen verwendet werden. Die Folie bzw. die Folien können sich entweder über das mindestens eine Halbleiterbauelement hinweg erstrecken oder aber im Bereich des mindestens einen Halbleiterbauelements eine Aussparung aufweisen, wobei dann je nach Fall, die Anpressvorrichtung erfindungsgemäß mittelbar (über die Folie bzw. Folien) oder nicht zu der Erfindung zugehörig unmittelbar, das heißt direkt auf das Halbleiterbauelement einwirkt. Für den Fall, dass die Anpressvorrichtung direkt mit dem Halbleiterbauelement in Berührung kommt, kann vorgesehen werden, dass die Anpressvorrichtung auch zum Entwärmen des mindestens einen Halbleiterbauelements vorgesehen wird.
Um einen guten Wärmeübergang zwischen Substrat und Kühlvorrichtung zu bewirken, kann vorteilhafter Weise das Substrat eine vollständige oder teilweise Metallisierung beispielsweise mit Kupfer oder Aluminium aufweisen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figurenzeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt:
1 eine erste allgemeine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leistungshalbleiteranordnung,
2 eine erste alternative Ausführungsform einer Anpressvorrichtung für ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul und
3 eine zweite alternative Ausführungsform für eine Anpressvorrichtung für ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul,
4 eine dritte alternative Ausführungsform für eine Anpressvorrichtung für ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul, und
5 eine nicht zu der Erfindung zugehörige Ausführung einer Anpressvorrichtung für ein Leistungshalbleitermodul.
In dem Ausführungsbeispiel nach 1 ist auf einen als Kühlvorrichtung dienenden, Kühlrippen aufweisenden Kühlkörper 1 ein Substrat 2 angebracht, das an seiner zum Kühlkörper 1 zugewandten Seite eine durchgängige Metallisierung 3 (beispielsweise Kupfer- oder Aluminium-Metallisierung) aufweist. Die andere Seite des Substrats 2 weist eine strukturierte Metallisierung 4 auf, auf der zwei Halbleiterbauelemente 5 und 6 aufgelötet sind. Auf das Substrat 2 ist über die Halbleiterbauelemente 5 und 6 sowie die Metallisierung 4 hinweg eine Folie 7 auflaminiert, wobei die Folie 7 über dem Halbleiterbauelement 6 eine Aussparung aufweist. Über die vorstehend genannte Anordnung hinweg ist ein federnder Bügel 8 isoliert an dem Kühlkörper 1 befestigt derart, dass zwischen dem Bügel 8 und der obersten Schicht der Anordnung, der auflaminierten Folie 7 ein bestimmter Abstand gegeben ist.
Der Bügel 8 ist federnd ausgeführt und weist an den Stellen, die den Halbleiterbauelementen 5 und 6 gegenüberliegen, sowie der einer Stelle 9 gegenüberliegenden Stelle 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 in entsprechender Länge eingefügt, welche die von dem Bügel 8 bereitgestellte Federkraft starr auf die Stelle 9 bzw. die Halbleiterbauelemente 5 und 6 übertragen. Auf diese Weise wird das Substrat 2 insbesondere an den entsprechenden Stellen gegen den Kühlkörper 1 gedrückt. Damit wird im Falle der Halbleiterbauelemente 5 und 6 die eigentliche Wärmequelle selbst mittelbar über das Substrat gegen den Kühlkörper gepresst und somit eine bessere Entwärmung erzielt.
Da im vorliegenden Fall die Stempel voll aus Metall gefertigt sind, können diese ebenfalls Wärme aufnehmen und beispielsweise an den Bügel 8 weiterleiten.
In den 2 bis 4 sind verschiedene Ausführungsformen von Anpresseinrichtungen gezeigt, wobei der Einfachheit halber jeweils nur von einem einzigen Halbleiterbauelement 12 ausgegangen wird, das auf die Metallisierung 13 eines Substrats 14 befestigt ist. Das Substrat 14 ist nur einseitig metallisiert und steht mit seiner anderen Seite mit einem Kühlkörper 15 in Berührung. Über die Anordnung aus Substrat 14, Metallisierung 13 und Halbleiterbauelement 12 ist eine Folie 16 auflaminiert, wobei in 5 die Folie über dem Halbleiterbauelement 12 eine Aussparung aufweist.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 ist ein Gehäusedeckel 17 vorgesehen, der beispielsweise aus Kunststoff besteht und der im Bereich des Halbleiterbauelementes 12 eine zu diesem hin gerichtete Ausformung mit einstückig angeformtem Stempel 18 aufweist. Der Gehäusedeckel 17 selbst ist elastisch und im Bereich der Anformung des Stempels 18 durch eine Querschnittsverjüngung 19 noch elastischer gehalten.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 wird ein starrer Deckel 20 aus Metall verwendet. Gegen diesen Deckel 20 stützt sich eine Spiralfeder einerseits ab, die andererseits auf das Halbleiterelement 12 drückt, so dass dieses wiederum über das Substrat 14 gegen den Kühlkörper 15 gedrückt wird zum Zwecke der Entwärmung des Halbleiterbauelementes 12.
Das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel geht aus dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch hervor, dass die Ausformung im Bereich des Halbleiterbauelementes 12 hohlzylinderförmig einen Bodenabschnitt 22 bildend ausgeformt ist. Dieser Bodenabschnitt 22 dient dabei zum Andrücken unmittelbar an die Folie 16 und über diese mittelbar auf das Halbleiterbauelement 12. Die Kraft wird dabei durch die Elastizität des aus Kunststoff gefertigten Deckels 17 erzeugt.
Die oben genannten Anordnungen können in beliebiger Weise abgeändert werden und für beliebige Leistungshalbleiteranordnungen auch im Umfang von passiven Bauelementen, aktiven Steuerungselementen (z. B. integrierten Schaltungen) sowie Kontakt- und Stromführungselementen verwendet werden. Es können dabei teilweise isolierende, vollständig leitende Folien und daraus gebildete Folienverbunde einschließlich Metalllagen in gleicher Weise verwendet werden. Als Material für den isolierenden Teil von Folien werden vorzugsweise Polyimid-, Polyethylen-, Polyphenol-, Polyetheretherketon- und/oder Epoxidmaterialien verwendet. Das Laminieren kann unter Druck oder im Vakuum und bei Raumtemperatur oder bevorzugt höheren Temperaturen im speziellen Laminierkammern erfolgen.
Durch die Kontaktierung der Anschlussflächen mittels Fototechnik können großflächig Kontaktflächen erzeugt werden. Erfindungsgemäß ist dabei nun vorgesehen, auf diese Flächen direkt mit Stempeln oder Stiften Druck auf die gesamte Anordnung auszuüben. Erfindungsgemäß vorgesehen ist, direkt über das Leistungshalbleiterbauelement mittels eines Stempels, einer Feder, eines Stifts oder dergleichen aufzudrücken und somit hier für eine sehr gute thermische Anbindung exakt an der Stelle der Wärmeerzeugung zu sorgen. Durch das exakte Aufdrücken an den heißesten Stellen des so erzeugten Leistungshalbleitermoduls kann somit eine optimale Entwärmung erfolgen. Darüber hinaus kann auch der Druckstempel als Entwärmungsmittel genutzt werden.

Claims

Leistungshalbleiteranordnung mit einem elektrisch isolierenden 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, mindestens einem Halbleiterbauelement (5, 6, 12), das auf dem Substrat (2, 14) angeordnet ist und mit der strukturierten Metallisierung (4, 13) elektrisch verbunden ist, einer teilweise elektrisch isolierenden Folie (7, 16) mit Leitungsstrukturen, die zumindest auf der das mindestens eine Halbleiterbauelement (5, 6, 12) tragenden Seite des Substrats (2, 14) angeordnet ist und die auf das Substrat (2, 14) und das mindestens eine Halbleiterbauelement (5, 6, 12) letzteres großflächig kontaktierend auflaminiert ist, und einer Anpressvorrichtung (8, 11, 17, 20, v 23, 22) mit mindestens einem partiellen elastischen Element (10, 19) im Bereich des jeweiligen Halbleiterbauelementes (5, 6, 12), das über die Folie (7, 16) flächig auf das mindestens eine Halbleiterbauelement (5, 6, 12) eine Kraft ausübt derart, dass über das mindestens eine Halbleiterbauelement (5, 6, 12) das Substrat (2, 14) gegen die Kühleinrichtung (1, 15) gedrückt wird.
Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 1, bei dem die Anpressvorrichtung (8, 11) ein zwischen dem jeweiligen elastischen Element (10) und dem mindestens einen Halbleiterbauelement (5, 6) angeordnetes starres Element (11) aufweist.
Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 1, bei dem die Anpressvorrichtung (8, 11, 17, 20, 21, 22) an der Kühleinrichtung (1, 15) befestigt ist.
Leistungshalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Anpressvorrichtung (11) auch zur Entwärmung des Halbleiterbauelements (6) vorgesehen ist.
Leistungshalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Substrat (2) auf der der Kühleinrichtung zugewandten Seite eine Metallisierung (3) aufweist.