DE102006011995B3

DE102006011995B3 - Leistungshalbleitermodul mit segmentierter Grundplatte

Info

Publication number: DE102006011995B3
Application number: DE102006011995A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Steger; Markus Gruber
Original assignee: Semikron GmbH and Co KG; Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron GmbH and Co KG; Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 2006-03-16
Filing date: 2006-03-16
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2026-03-17

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Leistungshalbleitermodul (1) mit einem Gehäuse (3), mindestens einem Substrat (5) mit schaltungsgerecht angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen (60), mit Anschlusselementen (40, 70) und mit einer metallischen Grundplatte (2), wobei die Grundplatte (2) mit dem Substrat (5) stoffschlüssig verbunden ist und wobei die Grundplatte (2) in eine Mehrzahl von Segmenten unterteilt ist.

Description

Die Erfindung beschreibt ein Leistungshalbleitermodul mit einer in eine Mehrzahl von Segmenten aufgeteilten Grundplatte. Einen Ausgangspunkt der Erfindung bilden Leistungshalbleitermodule wie sie beispielhaft aus der DE 103 16 355 B3 bekannt sind.
Derartige Leistungshalbleitermodule bestehen nach dem Stand der Technik aus einem Gehäuse mit mindestens einem darin angeordneten elektrisch isolierenden Substrat wobei dieses stoffschlüssig, häufig löttechnisch, mit einer Grundplatte verbunden ist. Das Substrat seinerseits besteht aus einem Isolierstoffkörper mit einer Mehrzahl darauf befindlicher gegeneinander isolierter metallischer Verbindungsbahnen und hierauf befindlichen und mit diesen Verbindungsbahnen schaltungsgerecht verbundenen Leistungshalbleiterbauelementen. Weiterhin weisen die bekannten Leistungshalbleitermodule Anschlusselemente für externe Last- und Hilfsanschlüsse sowie im Inneren angeordnete Verbindungselemente auf. Diese Verbindungselemente für schaltungsgerechte Verbindungen im Inneren des Leistungshalbleitermoduls sind meist als Drahtbondverbindungen ausgebildet.
Gemäß dem Stand der Technik sind die genannten Substrate ausgebildet als eine Trägerschicht aus einem Isolierstoffkörper, vorzugsweise einer Industriekeramik wie Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrit mit metallischen Kaschierungen auf den beiden Hauptflächen. Diese metallischen Kaschierungen sind beispielhaft nach dem bekannten DCB Verfahren aufgebrachte Kupferschichten. Derartige Substrate weisen auf Grund des keramischen Grundkörpers einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf als die Grundplatte, die vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht. Durch diese unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ergeben sich im Betrieb durch die damit verbundene wechselnde thermische Belastung des Leistungshalbleitermoduls Spannungen zwischen der Grundplatte und dem Substrate, die einen negativen Einfluss auf die Lebensdauer des Leistungshalbleitermoduls haben. Der Einfluss dieser thermischen Belastung steigt hierbei mit der größer der Fläche der Lötverbindung des Substrats zur Grundplatte.
Die WO 2001/08219 A1 offenbart ein Leistungshalbleitermodul mit einer Mehrzahl von Substraten angeordnet auf einer gemeinsamen Grundplatte, die zwischen den Substraten durchgehende Ausnehmungen in Form von Schlitzen aufweist. Die DE 197 07 514 A1 offenbart ebenfalls ein Leistungshalbleitermodul mit einer Mehrzahl von Substraten angeordnet auf einer gemeinsamen Grundplatte, wobei diese in eine Mehrzahl von Segmenten unterteilt ist und zwischen den Substraten auf der diesen abgewandten Seite Sollbiegestellen aufweist. Diese Sollbiegestellen sind als nicht durchgehende Ausnehmungen ausgebildet und die derart ausgebildeten Teilgrundplatten weisen eine konkave Durchbiegung auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Leistungshalbleitermodul vorzustellen wobei der Einfluss unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen des Substrats und der Grundplatte im Betrieb, auf Grund deren unterschiedlicher Materialien, auf die Lebensdauer des Leistungshalbleitermoduls verringert wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, durch die Maßnahmen der Merkmale des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Der erfinderische Gedanke geht aus von einem oben beschrieben Leistungshalbleitermodul mit einem Gehäuse, einem Substrat mit schaltungsgerecht angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen, mit Anschlusselementen und mit einer metallischen Grundplatte. Diese die Grundplatte ist mit dem Substrat stoffschlüssig, vorzugsweise mittels eine Löt- oder Klebeverbindung verbunden. Erfindungsgemäß ist die Grundplatte in eine Mehrzahl von Segmenten unterteilt. Diese Segmente sind entweder vollständig voneinander getrennt und bilden somit eine Mehrzahl von einzelnen Teilgrundplatten aus. Alternativ weist die Grundplatte auf ihrer dem Substrat zugewandten Seite eine Mehrzahl von Ausnehmungen auf und Segmente der Grundplatte bilden somit miteinander verbundene Teilgrundplatten aus. Erfindungsgemäß ist hierbei eine Kontaktschicht des Substrats zur stoffschlüssigen Verbindung mit der Grundplatte mittels Ausnehmungen in Segmente unterteilt ist und diese fluchten mit den zugeordneten Ausnehmungen der Grundplatte.
Diese Segmente sind vorzugsweise in Reihe entlang der größten lateralen Ausdehnung des Leistungshalbleitermoduls angeordnet sein. Es kann ebenso bevorzugte sein, wenn die Segmente matrixartig angeordnet sind mit jeweils einer Mehrzahl von Segmenten entlang der beiden lateralen Richtungen. Gleichermaßen kann es bevorzugt sein die Segmente beliebig über die Grundplatte zu verteilen.
Die erfinderische Lösung wird an Hand der Ausführungsbeispiele der 1 bis 3 weiter erläutert.
1 zeigt eine Ausgestaltung eines Leistungshalbleitermoduls nach dem Stand der Technik.
2 zeigt eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
3 zeigt eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
1 zeigt ein Leistungshalbleitermodul (1) mit zwei Substraten (5) im Längsschnitt. Die Substrate (5) sind hierbei DCB- Substrate nach dem Stand der Technik mit einer Keramikschicht (52), mit je einer flächigen Kupferkaschierung (56) auf der dem Inneren des Leistungshalbleitermoduls abgewandten Seite und mit einer ebensolchen (54), allerdings in sich strukturierten, Kupferkaschierung auf der dem Innern des Leistungshalbleitermoduls (1) zugewandten Seite, wodurch die Leiterbahnen ausgebildet werden. Auf diesen Leiterbahnen (54) sind Leistungshalbleiterbauelemente (60) angeordnet und schaltungsgerecht verbunden.
Das Substrat (5) wird von einem rahmenartigen Gehäuse (3) mit Deckel umschlossen. In diesem Gehäuse (3) sind auch die Last- (40) und Hilfsanschlusselemente (70) angeordnet. Das Substrat (5) sowie das Gehäuse (3) sind auf einer Grundplatte (2) angeordnet. Hierbei ist es bevorzugt das Gehäuse (3) auf die Grundplatte (2) zu kleben und die jeweiligen Substrate (5) auf die Grundplatte zu löten.
Die Grundplatte (2) selbst weist in dieser Ausgestaltung eine Mehrzahl von einzelnen Teilgrundplatten (2b) auf, indem die Grundplatte (2) auf ihrer dem Substrat (5) abgewandten Seite eine Mehrzahl von Ausnehmungen (20a) aufweist und somit miteinander verbunden Teilgrundplatten (2a) ausbildet sind.
Für die Ausgestaltung der Grundplatte (2) ist es besonders vorteilhaft, wenn das Verhältnis aus lateralem Abstand (W) der Teilgrundplatten (2a) zu Ihrer lateralen Ausdehnung (B) zwischen 1:10 bis 1:100 beträgt. Ebenso sollte das Verhältnis aus lateraler Ausdehnung (B) der Teilgrundplatten (2a) zu Ihrer vertikalen Ausdehnung (H) zwischen 1:5 bis 1:20 betragen. Weiterhin vorteilhaft ist es wenn das Verhältnis aus lateralem Abstand (W) der Teilgrundplatten (2a) zur vertikalen Ausdehnung (V) der Verbindung (22a) der Teilgrundplatten (2a) zwischen 5:1 bis 1:5 beträgt. Ebenso sollte die vertikale Ausdehnung (V) der Verbindung der Teilgrundplatten (2a) maximal 20 von 100 der vertikalen Ausdehnung (H) der Teilgrundplatten (2a) betragen.
2 zeigt eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls (1), wobei das Gehäuse (3) und die Anschlusselemente (40, 70) demjenigen unter 1 genannten entsprechen. Demgegenüber weist das Leistungshalbleitermodul (1) in dieser Ausgestaltung nur ein Substrat (5) auf.
Die Grundplatte (2) ist in dieser Ausgestaltung vollständig in Teilgrundplatten (20b) vereinzelt, wodurch diese keine Verbindungen zueinander aufweisen.
Allgemein ist es besonders bevorzugt, wenn die jeweilige Ausnehmung (20a/b/c), die die Grundplatte (2) teilt nicht mit einem Leistungshalbleiterbauelement (60) fluchtend angeordnet ist. Somit ist gewährleistet, dass im Bereich größter Abwärme, dem Bereich in dem jeweils das Leistungshalbleiterbauelement (60) angeordnet ist, auch ein massiver Körper zur Wärmeabfuhr zur Verfügung steht.
Die Gestaltungsregeln für die Dimensionierung der Grundplatte (2) gelten hier, soweit anwendbar, entsprechend denjenigen unter 1 genannten.
3 zeigt eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls (1) mit einem Gehäuse (3), einem Substrat (5) und Anschlusselementen (40, 70) wie bereits unter 2 genannt. Die Grundplatte (2) weist hier allerdings auf ihrer dem Substrat (5) zugewandten Seite eine Mehrzahl von Ausnehmungen (20c) auf, wodurch ähnlich wie unter 1 beschrieb miteinander verbunden Teilgrundplatten (2c) ausbildet werden. Allerdings weist bei dieser Ausgestaltung die Grundplatte (2) eine ununterbrochene dem Inneren des Leistungshalbleitermoduls (1) zugewandte Grundfläche auf, wodurch die Anordnung auf einem nicht dargestellten Kühlkörper gleichermaßen wie mit einem Leistungshalbleitermodul nach dem Stand der Technik ausgebildet werden kann.
Bei dieser Ausgestaltung der Grundplatte (2) ist es besonders bevorzugt, wenn die Metallkaschierung, die die Kontaktschicht (56) des Substrats (5) zur stoffschlüssigen Verbindung mit der Grundplatte (2) ausbildet mittels Ausnehmungen (560) ebenfalls in Segmente (562) unterteilt ist. Diese Ausnehmungen (560) sollten mit den zugeordneten Ausnehmungen (20c) der Grundplatte (2c) fluchten.
Es ist bevorzugt, wenn die jeweilige laterale Ausdehnung (S) einer Ausnehmung (560) der Kontaktschicht (56) größer ist als die laterale Ausdehnung (W) der jeweils zugeordneten Ausnehmung (20c) der Grundplatte (2c). Die weiteren Gestaltungsregeln für die Dimensionierung der Grundplatte (2) gelten hier entsprechend denjenigen unter 1 genannten.

Claims

Leistungshalbleitermodul (1) mit einem Gehäuse (3), einem Substrat (5) mit schaltungsgerecht angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen (60), mit Anschlusselementen (40, 70) und mit einer metallischen Grundplatte (2), wobei die Grundplatte (2) mit dem Substrat (5) stoffschlüssig verbunden ist, wobei die Grundplatte (2) in eine Mehrzahl von Segmenten unterteilt ist, diese Segmente der Grundplatte (2) vollständig voneinander getrennt sind und somit eine Mehrzahl von einzelnen Teilgrundplatten (2b) ausbilden oder die Grundplatte (2) auf ihrer dem Substrat (5) zugewandten Seite eine Mehrzahl von Ausnehmungen (20c) aufweist und Segmente der Grundplatte (2) somit miteinander verbundene Teilgrundplatten (2c) ausbilden und hierbei eine Kontaktschicht (56) des Substrats (5) zur stoffschlüssigen Verbindung mit der Grundplatte (2) mittels Ausnehmungen (560) ebenfalls in Segmente (562) unterteilt ist und diese mit den zugeordneten Ausnehmungen (20c) der Grundplatte (2c) fluchten.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 wobei das Verhältnis aus lateralem Abstand (W) der Teilgrundplatten (2b/c) zu Ihrer lateralen Ausdehnung (B) zwischen 1:10 bis 1:100 ist.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 wobei das Verhältnis aus lateraler Ausdehnung (B) der Teilgrundplatten (2b/c) zu Ihrer vertikalen Ausdehnung (H) zwischen 1:5 bis 1:20 ist.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 wobei das Verhältnis aus lateralem Abstand (W) der Teilgrundplatten (2c) zur vertikalen Ausdehnung (V) der Verbindung (22c) der Teilgrundplatten (2c) zwischen 5:1 bis 1:5 ist.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 wobei die vertikale Ausdehnung (V) der Verbindung der Teilgrundplatten (2c) maximal 20 von 100 der vertikalen Ausdehnung (H) der Teilgrundplatten (2c) beträgt.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 wobei die jeweilige laterale Ausdehnung (S) einer Ausnehmung (560) der Kontaktschicht (56) größer ist als die laterale Ausdehnung (W) der jeweils zugeordneten Ausnehmung (20c) der Grundplatte (2c).