DE102004035746B4

DE102004035746B4 - The power semiconductor module

Info

Publication number: DE102004035746B4
Application number: DE200410035746
Authority: DE
Inventors: Elmar Kühle; Reinhold Spanke
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2004-07-23
Filing date: 2004-07-23
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2024-07-24
Also published as: DE102004035746A1

Abstract

Leistungshalbleitermodul
mit einer wärmeleitenden Bodenplatte (1), die aus einem elektrisch isolierenden Material besteht und die eine Montagefläche (4) zur wärmeabführenden Verbindung mit einem Kühlelement aufweist, und
mit mehreren individuellen Baugruppen (8, 9) mit jeweils mindestens einem Leistungs-Halbleiter (10, 11; 12, 14), die gegenüber der Montagefläche (4) elektrisch isoliert sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
– die Bodenplatte (1) Öffnungen (3) für Befestigungsmittel aufweist und dass die Oberseite (6) der Bodenplatte (1) zumindest im Bereich der Öffnungen (3) metallisiert ist;
– die Dicke der Bodenplatte (1) mindestens 1 mm beträgt; und
– die Öffnungen (3) in Eckbereichen der Bodenplatte (1) angeordnet sind.The power semiconductor module
with a thermally conductive bottom plate (1) consisting of an electrically insulating material and having a mounting surface (4) for heat dissipating connection with a cooling element, and
with a plurality of individual assemblies (8, 9) each having at least one power semiconductor (10, 11, 12, 14) electrically insulated from the mounting surface (4),
characterized in that
- The bottom plate (1) has openings (3) for fastening means and that the top (6) of the bottom plate (1) is metallised at least in the region of the openings (3);
- The thickness of the bottom plate (1) is at least 1 mm; and
- The openings (3) in corner regions of the bottom plate (1) are arranged.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Aufbautechnik von Leistungshalbleitermodulen und betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit einer wärmeleitenden Bodenplatte, die aus einem elektrisch isolierenden Material besteht und die eine Montagefläche zur wärmeabführenden Verbindung mit einem Kühlelement aufweist, und mit mehreren individuellen Baugruppen mit jeweils mindestens einem Leistungs-Halbleiter, die gegenüber der Montagefläche elektrisch isoliert sind.The Invention is in the field of the construction of power semiconductor modules and relates to a power semiconductor module with a thermally conductive Base plate, which consists of an electrically insulating material and the one mounting surface for heat dissipating Connection with a cooling element has, and with several individual assemblies with each at least one power semiconductor, which is electrically opposite the mounting surface are isolated.

Ein derartiges Leistungshalbleitermodul geht aus der DE 43 00 516 A1 hervor. Es weist ein Substrat auf, das aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise einer Aluminiumoxidkeramik, gebildet und mit einer oberen und einer unteren Metallisierung versehen ist. Auf der oberen Metallisierung, die strukturiert ausgebildet ist, sind zwei Dioden angeordnet. Das Substrat ist in einer Ausnehmung eines Modulgehäuserahmens angeordnet, mittels dem das Substrat gegen einen Kühlkörper gepresst wird. Zur Erzeugung der hierzu erforderliche Anpresskraft weist der Modulgehäuserahmen Befestigungslöcher auf, an denen er mit dem Kühlkörper verschraubt wird.Such a power semiconductor module goes out of the DE 43 00 516 A1 out. It has a substrate which is formed from an electrically insulating material, for example an aluminum oxide ceramic, and is provided with an upper and a lower metallization. On the upper metallization, which is structured, two diodes are arranged. The substrate is arranged in a recess of a module housing frame, by means of which the substrate is pressed against a heat sink. In order to generate the contact force required for this purpose, the module housing frame has mounting holes on which it is screwed to the heat sink.

Aus der DE 197 21 061 A1 ist ein Leistungshalbleitermodul mit einer metallischen Grundplatte (Bodenplatte) bekannt, auf der mehrere Keramiksubstrate nebeneinander angeordnet sind. Auf jedem Substrat ist eine individuelle, autonome elektrische Baugruppe aufgebaut, die einen Leistungshalbleiter in Form eines Bipolar-Transistors mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) und einer Freilaufdiode enthält. Die Substrate bestehen beispielsweise jeweils aus einer Aluminiumoxidplatte, die zwischen zwei (kaschierten) Kupferfolien angeordnet ist. Das Substrat ist über seine unterseitige Kupferfolie direkt mit der Bodenplatte verlötet. Die freie (untere) Seite der Bodenplatte bildet eine Montagefläche, über die das Modul mit einem Kühlkörper in wärmeleitenden Kontakt gebracht werden kann.From the DE 197 21 061 A1 is a power semiconductor module with a metallic base plate (bottom plate) is known, on which a plurality of ceramic substrates are arranged side by side. On each substrate, an individual, autonomous electrical assembly is constructed, which includes a power semiconductor in the form of an insulated gate bipolar transistor (IGBT) and a freewheeling diode. The substrates consist, for example, each of an aluminum oxide plate, which is arranged between two (laminated) copper foils. The substrate is soldered directly to the bottom plate via its underside copper foil. The free (lower) side of the bottom plate forms a mounting surface, via which the module can be brought into heat-conducting contact with a heat sink.

Um die notwendige elektrische Isolation der Leistungshalbleiter gegenüber der Montagefläche bzw. einem Kühlkörper sicherzustellen, müssen die Substrate eine ausreichende elektrische Isolation und Durchschlagfestigkeit ausweisen. Dazu bedarf es einer erheblichen Substratdicke, die sich wiederum nachteilig auf die Wärmeleitung von den Leistungshalbleitern zur Montagefläche auswirken kann.Around the necessary electrical insulation of the power semiconductor with respect to Mounting surface or to ensure a heat sink have to the substrates have sufficient electrical insulation and dielectric strength identify. This requires a considerable substrate thickness, which is again disadvantageous to the heat conduction from the power semiconductors to the mounting surface can affect.

Die EP 0 459 283 A1 zeigt eine Anordnung mit einem elektrisch isolierenden und wärmeleitenden Substrat, das oberseitig mittels einer Hartlötschicht mit einem Bauteil, beispielsweise einem Leistungshalbleiter, verbunden ist. Unterseitig ist das Substrat mittels einer Weichlotschicht mit einem wärmeleitenden Trägerkörper verbunden.The EP 0 459 283 A1 shows an arrangement with an electrically insulating and heat-conducting substrate, which is connected on the upper side by means of a brazing layer with a component, for example a power semiconductor. On the underside, the substrate is connected by means of a soft solder layer with a thermally conductive carrier body.

Die DE 36 10 288 A1 zeigt ein Leistungshalbleitermodul mit einem Kunststoffgehäuse und einem als Gehäuseboden eingesetzten Keramiksubstrat, auf dem vier Diodenchips angeordnet sind. Das Keramiksubstrat ist mit einer relativ dicken unterseitigen Kupferschicht versehen, sowie mit einer oberseitigen Kupferschicht, die etwa dieselbe Dicke aufweist wie die unterseitige Kupferschicht, wobei die Dicken jeweils im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm liegen. Das Kunststoffgehäuse weist einen zentralen Befestigungsteil mit mindestens einer durch das Befestigungsteil und das Keramiksubstrat gehenden Bohrung auf. Die auf diese Weise in der Mitte des Keramiksubstrats gebildete Öffnung ist von einem Verstärkungsring umgeben. Der Verstärkungsring kann beispielsweise durch Strukturieren der oberseitigen Kupferfolie hergestellt werden.The DE 36 10 288 A1 shows a power semiconductor module with a plastic housing and a ceramic substrate used as a housing bottom, on which four diode chips are arranged. The ceramic substrate is provided with a relatively thick lower-side copper layer and an upper-side copper layer having approximately the same thickness as the lower-side copper layer, the thicknesses being in the range of 0.1 mm to 0.5 mm, respectively. The plastic housing has a central attachment part with at least one bore passing through the attachment part and the ceramic substrate. The opening thus formed in the center of the ceramic substrate is surrounded by a reinforcing ring. The reinforcing ring can be made, for example, by patterning the topside copper foil.

In der EP 0 037 301 A2 ist ein Leistungshalbleitermodul beschrieben, das auf einer Seite einen metallischen Sockel aufweist, auf dem aufeinander folgend ein Berylliumoxid-Substrat und Gehäusedeckel angeordnet sind. Die Befestigung des Moduls erfolgt mittels zweier Befestigungsschrauben, die etwa im Bereich der Mitte zweier einander gegenüberliegender Längsseiten des Moduls durch Berylliumoxid-Substrat den darunter befindlichen metallischen Sockel mit einem Kühlkörper verschraubt sind.In the EP 0 037 301 A2 a power semiconductor module is described which has on one side a metallic base, on which a beryllium oxide substrate and housing cover are successively arranged. The module is fastened by means of two fastening screws, which are screwed to the heatsink beneath the beryllium oxide substrate in the region of the middle of two opposite longitudinal sides of the module.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines kostengünstig und einfach herstellbaren Leistungshalbleitermoduls, das sich durch eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit zwischen Modul und Montagefläche auszeichnet, dessen Bodenplatte eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweist und bei der Montage des Leistungshalbleitermoduls nicht beschädigt wird.The Object of the present invention is to provide a economical and easy to manufacture power semiconductor module, which is characterized by a particularly good thermal conductivity between Module and mounting surface distinguishes, whose bottom plate has sufficient mechanical strength and not in the assembly of the power semiconductor module damaged becomes.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Leistungshalbleitermodul der eingangs genannten Art eine Bodenplatte aus einem elektrisch isolierenden Material vorgesehen, die eine Dicke von mindestens 1 mm aufweist. In Eckbereichen der Bodenplatte sind Öffnungen für Befestigungsmittel vorgesehen. Die Oberseite der Bodenplatte ist zumindest im Bereich der Öffnungen metallisiert.to solution This object is in a power semiconductor module of the beginning mentioned type a bottom plate made of an electrically insulating Material provided, which has a thickness of at least 1 mm. In corner areas of the bottom plate openings are provided for fastening means. The Top of the bottom plate is at least in the region of the openings metallized.

Ein Aspekt der Erfindung besteht außerdem darin, die Funktion der elektrischen Isolierung zwischen Modul und Montagefläche bei einem Modul mit mehreren Baugruppen bzw. baugruppentragenden individuellen Substraten zumindest teilweise auf die Bodenplatte zu verlagern. Mit anderen Worten:
Die elektrische Isolation der Baugruppen gegenüber der Montagefläche ist zumindest teilweise von der Bodenplatte bewirkt. Damit kann völlig auf die Verwendung individueller Substrate als Baugruppenträger verzichtet werden, was die Kosten und den Teile/Herstellungsaufwand erheblich mindert.An aspect of the invention also consists in at least partially relocating the function of the electrical insulation between the module and the mounting surface in the case of a module having a plurality of sub-assemblies or sub-assemblies carrying individual substrates to the base plate. In other words:
The electrical insulation of the modules relative to the mounting surface is at least partially effected by the bottom plate. This can be completely dispensed with the use of individual substrates as a rack, what the cost and Tei le / production costs significantly reduced.

Allerdings kann die Verwendung separater Substrate unter dem Aspekt der Handhabung und/oder eines baugruppenindividuellen Vorab-Tests zweckmäßig sein; in diesem Zusammenhang sieht eine vorteilhafte Fortbildung der Erfindung vor, die Baugruppen jeweils auf einem Substrat anzuordnen, dessen Dicke im Hinblick auf die Wärmeleitung optimiert ist. Bei der Dimensionierung der Substratdicke können so vorteilhafterweise andere Faktoren stärker als beim üblichen Aufbau berücksichtigt und weiteren Optimierungsaspekten – nämlich insbesondere der Verbesserung der Wärmeleitung – Rechnung getragen werden. Die Substrate können also wesentlich dünner ausgeführt werden, solange im Zusammenwirken mit der isolierenden Bodenplatte sichergestellt ist, dass bestehende Anforderungen an Isolation und Teilentladungsfreiheit erfüllt sind.Indeed the use of separate substrates in terms of handling and / or be appropriate for a group-individual pre-test; in this context provides an advantageous development of the invention, the modules each to be arranged on a substrate whose thickness in terms on the heat conduction is optimized. In the dimensioning of the substrate thickness can so Advantageously, other factors stronger than the usual Structure considered and other optimization aspects - namely the improvement the heat conduction - bill be worn. The substrates can So much thinner accomplished be, as long as in cooperation with the insulating floor plate It is ensured that existing requirements for insulation and Partial discharge freedom fulfilled are.

Bevorzugt besteht die Bodenplatte aus einem keramischen Werkstoff hoher thermischer Leitfähigkeit, z. B. AlN oder Si₃N₄.Preferably, the bottom plate consists of a ceramic material of high thermal conductivity, for. B. AlN or Si ₃ N ₄ .

Durch die Metallisierung der Oberseite der Bodenplatte zumindest im Bereich der Öffnungen werden mechanische Spannungen, die z. B. durch eine die Öffnungen durchdringende Verschraubung erzeugt werden können, gleichmäßig auf die Bodenplatte verteilt. Dies vermindert die Gefahr, dass die (spröde) Bodenplatte infolge punktueller Belastungen bricht oder reißt.By the metallization of the top of the bottom plate at least in the area the openings become mechanical stresses, the z. B. through one of the openings penetrating screw connection can be generated evenly distributed the bottom plate. This reduces the risk that the (brittle) bottom plate breaks or tears as a result of punctual loads.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Unterseite der Bodenplatte metallisiert ist. Dies verbessert die Montagemöglichkeiten der Bodenplatte und hilft, punktuelle Belastungen oder Spannungsspitzen zu vermeiden.To an advantageous embodiment of the invention is provided that the bottom of the bottom plate is metallized. This improves the mounting options the bottom plate and helps to point loads or spikes to avoid.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung beispielhaft weiter erläutert. Deren einzige Figur zeigt in perspektivischer Ansicht schematisch ein erfindungsgemäßes Modul.The Invention will be further exemplified with reference to a drawing explained. Their single figure shows a perspective view schematically a module according to the invention.

1 zeigt eine Bodenplatte 1 aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, nämlich einer Keramik (z. B. Si₃N₄). Die Bodenplatte ist ca. 1,5 mm dick. In ihren Eckbereichen 2 sind Durchgangsbohrungen 3 ausgebildet, um die als Montagefläche 4 fungierende Unterseite der Bodenplatte bedarfsweise mit einem (nicht gezeigten) Kühlkörper verschrauben zu können. Die Eckbereiche 2 sind mit einer Metallisierung 5 versehen, um mechanische Spannungen, die bei Verschraubungen durch die Bohrungen 3 und auch durch betriebsbedingte (z. B. thermische) Belastungen auftreten können, auf einen größeren Oberflächenbereich der Bodenplatte gleichmäßig zu verteilen. 1 shows a bottom plate 1 of an electrically insulating material, namely a ceramic (eg Si ₃ N ₄ ). The bottom plate is approx. 1.5 mm thick. In their corner areas 2 are through holes 3 designed to be used as a mounting surface 4 acting bottom of the bottom plate, if necessary, to be able to screw with a (not shown) heat sink. The corner areas 2 are with a metallization 5 provided to withstand mechanical stresses that occur when screwing through the holes 3 and can also occur due to operational (eg thermal) loads, evenly distributed over a larger surface area of the bottom plate.

Zur Vermeidung von Spannungsspitzen ist die Unterseite 4 der Bodenplatte vollständig metallisiert. Denkbar ist auch, die Oberseite 6 und die Unterseite 4 großflächig zu metallisieren und die Oberseite ggf. zu strukturieren. Die beidseitige Metallisierung hat den Vorteil, dass Verformungen (z. B. Verwölbungen) aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten von keramischem Bodenplattenmaterial und Metallisierungsschichten gegengleiche Spannungen erzeugen und sich so kompensieren.To avoid voltage peaks is the bottom 4 the bottom plate completely metallized. It is also conceivable, the top 6 and the bottom 4 metallize over a large area and structure the top if necessary. The double-sided metallization has the advantage that deformations (eg warping) due to different coefficients of expansion of ceramic bottom plate material and metallization layers generate opposite voltages and thus compensate each other.

Auf der Oberseite 6 der Bodenplatte 1 sind zwei Baugruppen 8, 9 angeordnet, die jeweils mehrere Leistungshalbleiter 10, 11 und 12, 14 enthalten. Die Baugruppen sind zur Bildung eines Hochleistungs-Halbleitermoduls elektrisch parallel geschaltet und über angedeutete Bonddrähte kontaktiert.On the top 6 the bottom plate 1 are two assemblies 8th . 9 arranged, each having multiple power semiconductors 10 . 11 and 12 . 14 contain. The modules are electrically connected in parallel to form a high-power semiconductor module and contacted via indicated bonding wires.

Die Baugruppen 8, 9 sind jeweils auf einem Substrat 18, 19 aus einer sehr dünnen Keramikschicht 20, 21 aufgebaut, die nur wenige 1/10 mm beträgt. Dadurch weisen die Substrate eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit auf. Die von den Leistungshalbleitern betriebsbedingt generierte Verlustwärme kann also durch die dünnen Substrate 18, 19 schnell und einfach auf die Bodenplatte übertragen werden, von der aus die Wärme zu einem (nicht dargestellten) Kühlkörper gelangt.The assemblies 8th . 9 are each on a substrate 18 . 19 from a very thin ceramic layer 20 . 21 constructed, which is only a few 1/10 mm. As a result, the substrates have excellent thermal conductivity. The operational heat generated by the power semiconductors loss heat can therefore through the thin substrates 18 . 19 be quickly and easily transferred to the bottom plate, from which the heat passes to a (not shown) heat sink.

Die für die Isolation der Baugruppen gegenüber der Montagefläche 4 (bzw. dem Kühlkörper) notwendige isolierende Funktion wird zum ganz überwiegenden Teil von der aus elektrisch isolierendem Material bestehenden Bodenplatte selbst ausgeübt. Die Isolationsfunktion kann auch vollständig der Bodenplatte überlassen sein, so dass aus dieser Sicht auf die Substrate sogar ganz verzichtet werden könnte. In diesem Fall würde auf der Oberseite 6 der Bodenplatte eine metallisierte Struktur vorgesehen werden, auf der die Elemente der Baugruppen direkt montiert werden.The for the insulation of the assemblies opposite the mounting surface 4 (or the heat sink) necessary insulating function is exercised for the most part by the existing of electrically insulating material base plate itself. The isolation function can also be completely left to the bottom plate, so that from this point of view the substrates could even be completely dispensed with. In this case would be on the top 6 the bottom plate a metallized structure are provided, on which the elements of the modules are mounted directly.

Damit ist ein Modul mit einer sehr effektiven Verlustwärmeabfuhr geschaffen, das einfach aufgebaut ist und bei dem die Bodenplatte unmittelbar mit einem Kühlelement verschraubt werden kann.In order to is a module created with a very effective heat loss removal that easy is constructed and in which the bottom plate directly with a cooling element can be screwed.

11: Bodenplattebaseplate
22: Eckbereichecorner areas
33: DurchgangsbohrungenThrough holes
44: Montageflächemounting surface
55: Metallisierungmetallization
66: Oberseitetop
8, 98th, 9: Baugruppenassemblies
10, 1110 11: LeistungshalbleiterPower semiconductor
12, 1412 14: LeistungshalbleiterPower semiconductor
18, 1918 19: Substratsubstratum
20, 2120 21: Keramikschichtceramic layer

Claims

Power semiconductor module with a thermally conductive bottom plate ( 1 ), which consists of an electrically insulating material and which has a mounting surface ( 4 ) for heat-dissipating connection with a cooling element, and having a plurality of individual assemblies ( 8th . 9 ) each having at least one power semiconductor ( 10 . 11 ; 12 . 14 ), which are opposite the mounting surface ( 4 ) are electrically isolated, characterized in that - the bottom plate ( 1 ) Openings ( 3 ) for fastening means and that the upper side ( 6 ) of the bottom plate ( 1 ) at least in the region of the openings ( 3 ) is metallized; - the thickness of the bottom plate ( 1 ) is at least 1 mm; and - the openings ( 3 ) in corner regions of the bottom plate ( 1 ) are arranged.

Power semiconductor module according to claim 1, characterized in that the assemblies ( 8th . 9 ) each on a substrate ( 18 . 19 ) are arranged, whose thickness is optimized in terms of heat conduction.

Power semiconductor module according to claim 1 or 2, characterized in that the bottom plate ( 1 ) consists of a ceramic material of high thermal conductivity.

Power semiconductor module according to any preceding claim, characterized in that the mounting surface ( 4 ) of the bottom plate ( 1 ) is metallized.