DE102008034075A1

DE102008034075A1 - Leistungshalbleitermodul und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102008034075A1
Application number: DE102008034075A
Authority: DE
Inventors: Fabio Brucchi
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: 2008-07-22
Filing date: 2008-07-22
Publication date: 2010-04-22
Anticipated expiration: 2028-07-23
Also published as: DE102008034075B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul (100, 100', 100'', 101), umfassend mindestens ein Bauelement (1) der Leistungselektronik auf einem Substrat (9, 9'), wobei das mindestens eine Bauelement (1) auf seinen ohne Substrat (9, 9') vorliegenden Seiten, in eine Pulverschüttung (4, 4') eingebettet vorliegt, wobei die Pulverschüttung (4, 4') aus mindestens einem Pulvermaterial gebildet ist, das einen spezifischen elektrischen Widerstand von größer als 10³5 Ωcm und eine Wärmeleitfähigkeit von größer als 1 W/mK aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leistungshalbleitermoduls

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul, umfassend mindestens ein Bauelement der Leistungselektronik auf einem Substrat. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leistungshalbleitermoduls.
Leistungshalbleitermodule der eingangs genannten Art sind hinreichend bekannt. So offenbart die DE 10 130 517 C2 ein Hochspannungsmodul mit einem Gehäuse zur Aufnahme mindestens eines Bauelements auf einem Substrat, wobei der Schaltungsaufbau in einen Weichverguss eingegossen ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Hochspannungsmoduls. Der verwendete Weichverguss ist entweder aus einer Mischung enthaltend ein Gel sowie schwach leitfähige Partikel gebildet oder aber aus einer Mischung enthaltend ein Gel sowie Partikel mit hoher Dielektrizitätskonstante im Vergleich zum Gel gebildet. Dabei kann sich der gesamte Weichverguss aus Gel-Bereichen ohne Partikeln und Gel-Bereichen mit Partikeln zusammensetzen. Das Hochspannungsmodul wird gebildet, indem auf der Höhe der Außenkanten des Bauelements Partikel angeordnet werden und anschließend das Modul mit einem geeigneten Gel, beispielsweise einem Silikon-Gel, vergossen wird. Als schwach leitfähige Partikel sind dabei leitende Kunststoffe, Harze oder Elastomere genannt. Als elektrisch isolierende Partikel sind Glaskugeln oder Glasgranulate, oder nicht leitende Kunststoffe, Harze, Elastomere oder Oxid- und Nichtoxid-Keramiken genannt. Die Bauelemente des Hochspannungsmoduls bzw. dessen Substrate sind mit einem Kühlkörper verbunden, der im Betrieb des Hochspannungsmoduls für die Ableitung der Wärme sorgt, die durch die Bauelemente erzeugt wird.
Es hat sich gezeigt, dass die Wärmeabfuhr im Bereich der Bauelemente bei einem Aufbau gemäß dem Stand der Technik fast ausschließlich in Richtung des Substrats bzw. des Kühlkörpers erfolgt. In die Richtungen, in denen die Weichvergussmasse an das Bauelement angrenzt, ist die Wärmeabfuhr aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit der Weichvergussmasse kaum vorhanden oder stark behindert.
Um mehrere, stark Wärme entwickelnde Bauelemente eines Leistungshalbleitermoduls so zu kühlen, dass die zulässige Wärmebelastung am jeweiligen Bauelement eine kritischen Wert nicht überschreitet, ist derzeit ein relativ großer Abstand zwischen einzelnen Bauelementen erforderlich. Die fortschreitenden Bestrebungen nach einer Miniaturisierung auch im Bereich der Leistungselektronik stoßen hierbei an ihre Grenzen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Leistungshalbleitermodul bereitzustellen, bei welchem die Wärmeableitung im Bereich eines Wärme entwickelnden Bauelements verbessert ist. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen verbesserten Leistungshalbleitermoduls bereitzustellen.
Die Aufgabe wird für das Leistungshalbleitermodul, umfassend mindestens ein Bauelement der Leistungselektronik auf einem Substrat, dadurch gelöst, dass das mindestens eine Bauelement auf seinen ohne Substrat vorliegenden Seiten in eine Pulverschüttung eingebettet vorliegt, wobei die Pulverschüttung aus mindestens einem Pulvermaterial gebildet ist, das einen spezifischen elektrischen Widerstand von größer als 10³ Ωcm und eine Wärmeleitfähigkeit von größer als 1 W/mK aufweist.
Die Werte für den spezifischen elektrischen Widerstand sowie die Wärmeleitfähigkeit sind dabei auf eine Temperatur von 20°C bezogen.
Ein derartiges Leistungshalbleitermodul weist den Vorteil auf, dass die Wärmeabfuhr der vom Bauelement produzierten Abwärme nicht nur in Richtung des elektrisch isolierenden Substrats erfolgt, sondern dass auch ähnlich große bzw. vergleichbare Wärmemenge in allen anderen Richtungen vom Bauelement weggeführt werden kann, da die Pulverschüttung eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die einen solchen Wärmeabtransport ermöglicht. Gleichzeitig weist die Pulverschüttung einen spezifischen elektrischen Widerstand auf, der so hoch ist, dass Überschläge zwischen Strom führenden Bereichen eines Bauelements zuverlässig verhindert werden, sowohl im kalten wie auch im warmen Betriebszustand des Leistungshalbleitermoduls. Das mindestens eine Bauelement befindet sich, insbesondere im Bereich der Oberflächen bzw. Seiten, die nicht am Substrat befestigt sind, insbesondere überall in innigem Kontakt zu der Pulverschüttung. Die Pulverschüttung ermöglicht demnach eine unmittelbare Wärmeableitung von freiliegenden Seiten des Bauelements über die Pulverschüttung weg vom Bauelement. Dies ermöglicht eine weitere Miniaturisierung von Leistungshalbleitermodulen, da einzelne Wärme erzeugende Bauelemente enger gepackt angeordnet werden können, ohne dass dies zu einer lokalen Überhitzung von Bauelementen führt.
Die Aufgabe wird für das Verfahren zur Herstellung eines solchen Leistungshalbleitermoduls durch folgende Schritte gelöst:
Bereitstellen mindestens eines Bauelements der Leistungselektronik auf einem Substrat;
Einbetten des mindestens einen Bauelements auf seinen ohne Substrat vorliegenden Seiten in eine Pulverschüttung, wobei die Pulverschüttung aus mindestens einem Pulvermaterial gebildet wird, das einen spezifischen elektrischen Widerstand von größer 10³ Ωcm, insbesondere von größer 10⁸ Ωcm, und eine Wärmeleitfähigkeit von größer als 1 W/mK, insbesondere von größer als 5 W/mK, aufweist.
Ein derartiges Verfahren ist schnell und unkompliziert durchführbar, wobei eine höhere Packungsdichte von Bauelementen im Leistungshalbleitermodul erreicht werden kann.
Insbesondere weist das Leistungshalbleitermodul weiterhin mindestens einen, mit mindestens einer Seite des mindestens einen Bauelements direkt oder indirekt mechanisch fest verbundenen Kühlkörper zur verbesserten Ableitung von Abwärme des mindestens einen Bauelements auf. Dabei ist der mindestens eine Kühlkörper üblicherweise am Substrat fixiert.
Im Bereich des Kühlkörpers, der sich unmittelbar an das mindestens eine Bauelement anschließt oder vorzugsweise über ein, insbesondere elektrisch isolierendes Substrat damit verbunden ist, waren bei herkömmlichen Modulen mit einer schlecht oder nicht wärmeleitenden Verkapselung aus Vergussmasse enthaltend Gel durchaus Temperaturen im Bereich von beispielsweise etwa 70 bis 80°C oder mehr üblich, während auf der dem Bauelement abgewandten Seite der Verkapselung lediglich Temperaturen im Bereich von beispielsweise etwa 25 bis 35°C vorlagen. Das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul zeigt sowohl im Bereich des Kühlkörpers wie auch im Bereich der Pulverschüttung, welche die herkömmliche Verkapselung ersetzt, eine weitgehend gleichmäßige Temperatur, beispielsweise im Bereich von etwa 40 bis 60°C. Die üblicherweise auftretenden Temperaturdifferenzen zwischen der Seite des mindestens einen Bauelements, die direkt oder indirekt in Kontakt zu einem Kühlkörper steht, und den Seiten des mindestens einen Bauelements, die in Kontakt zu einer Verkapselung enthaltend Gel stehen, werden mit der erfindungsgemäßen Anordnung eliminiert. Dies vermindert thermische Spannungen innerhalb des mindestens einen Bauelements und verlängert dessen Lebensdauer.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend erläutert.
So hat es sich für das Leistungshalbleitermodul als vorteilhaft erwiesen, wenn der spezifische elektrische Widerstand des Pulvermaterials größer als 10⁸ Ωcm ist. Besonders bevorzugt ist es, wenn das mindestens eine Pulvermaterial mindestens einen Isolierstoff mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von größer als 10¹² Ωcm umfasst. Pulverschüttungen aus Pulvermaterial mit einem derartigen spezifischen elektrischen Widerstand verhindern zuverlässig einen Spannungsüberschlag zwischen stromführenden Teilen innerhalb des Bauelements, mit welchen die Pulverschüttung gegebenenfalls in Kontakt kommt.
Weiterhin hat es sich bewährt, wenn die Wärmeleitfähigkeit des mindestens einen Pulvermaterials größer als 5 W/mK, insbesondere größer als 10 W/mK ist. Je größer die Wärmeleitfähigkeit eines Pulvermaterials ausgebildet ist, desto besser erfolgt die Abführung der Abwärme des Bauelements durch die Pulverschüttung.
Dabei kann die Pulverschüttung mindestens zwei Pulvermaterialien umfassen, die sich hinsichtlich des spezifischen elektrischen Widerstands und/oder der Wärmeleitfähigkeit unterscheiden. So können die unterschiedlichen Pulvermaterialien innig miteinander vermischt werden und gleichmäßig verteilt in der Pulverschüttung vorliegen. Es ist aber genauso möglich, dass das mindestens eine Bauelement, bzw. seine freiliegenden Seiten, in ein erstes Pulvermaterial eingebettet wird und danach ein zweites Pulvermaterial auf das erste Pulvermaterial aufgebracht wird, so dass sich ein schichtähnlicher Aufbau ergibt. Auf diese Weise lässt sich die Wärmeableitung in bestimmten Bereichen des Bauelements gezielt beeinflussen und verändern.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Pulverschüttung mindestens ein Pulvermaterial aus der Gruppe umfassend Bohrnitrid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, SiAlON, Siliziumkarbid, Zinkoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Steatit und Forsterit aufweist. Besonders bevorzugt aus dieser Gruppe sind Pulvermaterialien aus Bornitrid oder Zinkoxid. Dabei kann ein Pulvermaterial allein oder in Kombination mit mindestens einem weiteren Material dieser Gruppe verwendet werden.
Die Dicke der Pulverschüttung ist insbesondere so gewählt, dass das mindestens eine damit bedeckte Bauelement überall mit einer mindestens 2 mm dicken Pulverschüttungsschicht bedeckt ist.
Zwischen dem mindestens einen Bauelement und der Pulverschüttung kann eine Schutzschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 1 bis 20 μm angeordnet sein, die den Wärmeübergang zwischen Bauelement und Pulverschüttung nicht oder nur unwesentlich behindert. Eine solche Schutzschicht kann dazu dienen, ein Eindringen von Pulvermaterial in eventuell vorhandene Spalte innerhalb eines Bauelements zu verhindern und das Bauelement vor mechanischer Beschädigung zu schützen.
Besonders hat es sich bewährt, wenn eine solche Schutzschicht aus einer elektrisch isolierenden Wärmeleitpaste, vorzugsweise einem Silikon-Gel, gebildet ist, um die Wärmeübergang zwischen Bauelement und Pulverschüttung noch zu verbessern.
Besonders hat es sich bewährt, wenn der mindestens eine Kühlkörper mindestens einen Aufnahmebehälter für die Pulverschüttung bereitstellt. Der mindestens eine Aufnahmebehälter, in welchem sich das mindestens eine Bauelement befindet, kann so in einfacher Weise mit dem Pulvermaterial befüllt werden. Der mindestens eine Aufnahmebehälter stellt dabei ein definiertes Volumen zur Aufnahme der Pulverschüttung bereit und kann vollständig oder lediglich teilweise mit der Pulverschüttung gefüllt werden, solange das Bauelement damit vollständig bedeckt wird.
In diesem Zusammenhang hat es sich auch bewährt, wenn eine Öffnung des Aufnahmebehälters zum Einfüllen der Pulverschüttung mittels einer Abdeckung, insbesondere in Form eines Deckels, reduziert wird und das Pulvermaterial durch die verbleibende reduzierte Öffnung in den Aufnahmebehälter eingeblasen wird. Die verbleibende reduzierte Öffnung kann anschließend verschlossen werden. Hierzu eignen sich beispielsweise Stopfen, Vergussmassen oder sonstige Bauteile.
Eine reduzierte Öffnung kann zudem genutzt werden, um elektrische Anschlusskontakte des mindestens einen Bauelements durch die Abdeckung hindurchzuführen.
Insbesondere hat es sich bewährt, wenn die Pulverschüttung mechanisch komprimiert wird. Dabei wird auch eine komprimierte Pulverschüttung weiterhin als Pulverschüttung betrachtet, auch wenn aufgrund der Komprimierung gegebenenfalls eine Art Pulverpressling gebildet wird. Die Komprimierung erfolgt vorzugsweise dadurch, dass die Pulverschüttung gerüttelt wird und/oder dass eine Druckbelastung auf die Pulverschüttung aufgebracht wird. Eine Druckbelastung kann insbesondere mittels eines Stempels oder über eine Druckgasatmosphäre aufgebracht werden.
Um eine optimale Komprimierung der Pulverschüttung zu erreichen, hat es sich bewährt, wenn das mindestens eine Pulvermaterial eine maximale Pulverkorngröße von 200 μm aufweist.
Insbesondere hat es sich bewährt, Pulverschüttungen einzusetzen, die mindestens zwei unterschiedliche Pulvermaterialien mit unterschiedlichen Korngrößenverteilungen aufweisen. Auch die Verwendung von Pulverschüttungen, bei welchen die Pulvermaterialien zuvor granuliert wurden, hat sich bewährt.
Generell ist es von Vorteil, wenn die Pulverschüttung mittels einer Abdeckung verkapselt ist. Als Abdeckung haben sich dabei insbesondere Deckel und/oder Vergussmassen bewährt. Auf diese Weise lässt sich zuverlässig ein Eindringen von Feuchtigkeit in die Pulverschüttung verhindern und ein Oxidationsschutz für metallische Teile des mindestens einen Bauelements erreichen. Eindringende Feuchtigkeit führt unter Umständen zu Spannungsüberschlägen im Bereich der Pulverschüttung. Feuchtigkeit wie auch Sauerstoff in der Umgebungsluft kann zudem zu einer Oxidation von metallischen Teilen eines Bauelements führen und die Leistungsfähigkeit des Bauelements beeinträchtigen.
Um die Wärmeableitung im Bereich der Pulverschüttung weiter zu verbessern, hat es sich bewährt, wenn die Abdeckung durch einen weiteren Kühlkörper gebildet ist oder auf ihrer, dem mindestens einen Bauelement abgewandten Seite mit mindestens einem weiteren Kühlkörper mechanisch fest verbunden ist/wird. Dies ermöglicht eine fast allseitige und gleichmäßige Ableitung der Abwärme des mindestens einen Bauelements.
Als Material zur Bildung eines Kühlkörpers haben sich hoch wärmeleitende Materialien wie Metalle, Metalllegierungen oder auch AlN bewährt. Die äußere Form eines Kühlkörpers kann weiterhin von einer schlichten Plattenform zu komplizierten dreidimensionalen Objektformen mit großer Mantelfläche zur Wärmeabstrahlung variieren. Die Anordnung mehrerer Aufnahmebehälter auf einem einzelnen, d. h. einstückigen Kühlkörper ist ohne weiteres möglich, wobei zumindest in einem der Aufnahmebehälter mindestens ein Bauelement der Leistungselektronik angeordnet ist.
So können auch zwei oder mehrere Bauelemente mit einem einzelnen Kühlkörper verbunden sein. Dabei können mehrere Bauelemente gegebenenfalls innerhalb eines einzelnen vorhandenen Aufnahmebehälters des Kühlkörpers angeordnet sein. Weiterhin ist es möglich, dass der Kühlkörper mehrere Aufnahmebehälter aufweist, deren Öffnungen zur Aufnahme von Pulverschüttung in Richtung unterschiedlicher Raumachsen zeigen. Zum Befüllen von in unterschiedliche Raumachsen zeigenden Öffnungen verschiedener Aufnahmebehälter wird der Kühlkörper gegebenenfalls zwischen zwei Füllvorgängen entsprechend gedreht.
Als Substrat, auf dem das mindestens eine Bauelement bereitgestellt wird, hat sich insbesondere ein elektrisch isolierendes Substrat bewährt. Üblicherweise werden hier temperaturbeständige Substrate aus Keramik oder aus Keramik mit einer Metallbeschichtung, wie DBC-Substrate (DBC = Direct Bonded Copper), eingesetzt.
Bei dem mindestens einen Bauelement der Leistungselektronik handelt es sich insbesondere um mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement.
Zusätzlich kann das Leistungshalbleitermodul ein Gehäuse aufweisen, das das mindestens eine Bauelement, gegebenenfalls inklusive des Substrats, zumindest teilweise umgibt.
Die 1a bis 4 sollen erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodule und Verfahren zu deren Herstellung beispielhaft erläutern. So zeigen
1a bis 1d ein erstes Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls mit einem Kühlkörper im Querschnitt;
2 ein Leistungshalbleitermodul nach dem ersten Verfahren mit einem weiteren Kühlkörper im Querschnitt;
3a bis 3c ein zweites Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls mit einem Kühlkörper im Querschnitt; und
4 ein Leistungshalbleitermodul nach dem zweiten Verfahren mit einem weiteren Kühlkörper im Querschnitt.
1a zeigt in vereinfachter Darstellung im Querschnitt ein Bauelement 1 der Leistungselektronik auf einem Substrat 9 mit mindestens einem elektrischen Anschlusskontakt 1a, das indirekt, hier über das Substrat (9), mit einem Kühlkörper 2 aus Metall verbunden ist. Der Kühlkörper 2 weist eine Bodenplatte 2a, Kühlrippen 2b und auf der den Kühlrippen 2b abgewandeten Seite eine am Rand der Bodenplatte 2a verlaufende Wandung 2c auf, die einen Aufnahmebehälter 2d ausbildet, in welchem sich das Bauelement 1 und das Substrat 9 befinden. Dabei ist die Anordnung von Bauelement 1 und Substrat 9 lediglich schematisch dargestellt, ohne dass sich daraus die genaue Lage des Bauelements 1 auf dem Substrat 9, die Größenverhältnisse zwischen Bauelement 1 und Substrat 9 usw. ablesen lassen würden. Zwischen dem Bauelement 1 und dem Kühlkörper 2 bzw. dem Substrat 9 und dem Kühlkörper 2 ist dabei üblicherweise eine dünne Schicht aus einer handelsüblichen Wärmeleitpaste 3 angeordnet, die den Wärmeübergang vom Bauelement 1 zur Bodenplatte 2a des Kühlkörpers 2 verbessert. Die Schichtdicke der Wärmeleitpaste 3 liegt dabei üblicherweise im Bereich von 20 bis 100 μm. Auch zwischen dem Bauelement 1 und dem Substrat 9 kann eine weitere, hier nicht dargestellte Wärmeleitpastenschicht vorhanden sein. Eine handelsübliche Wärmeleitpaste ist nicht dazu geeignet, größere Distanzen zu überbrücken und weist häufig eine elektrische Leitfähigkeit aufgrund von darin enthaltenen elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffen wie Silber, Gold, Graphit usw. auf, die die Wärmeleitung verbessern.
1b zeigt im Querschnitt die Anordnung aus 1a, über welcher ein Füllschuhs 5 mit einer Pulverschüttung 4 aus Bornitrid angeordnet ist. Die Pulverschüttung 4 wird in den Aufnahmebehälter 2d des Kühlkörpers 2 gefüllt. Anstelle der Wandung 2c könnte alternativ beispielsweise ein ringförmiges Gehäuse auf der Bodenplatte 2a oder dem Substrat 9 angeordnet und damit verbunden werden, das das Bauelement 1 umschließt und welches einen Aufnahmebehälter bildet. Während des Füllvorgangs kann die Anordnung umfassend den Kühlkörper 2 und das Bauelement 1 gerüttelt werden, damit eine optimale und gleichmäßige Verteilung der Pulverschüttung 4 im Aufnahmebehälter 2d resultiert. Die Pulverschüttung 4 wird in einer Menge eingefüllt, die mindestens dazu geeignet ist, das Bauelement 1 zu bedecken. Vorzugsweise wird der Aufnahmebehälter 2d des Kühlkörpers 2 vollständig mit der Pulverschüttung 4 aufgefüllt. Die Seiten des Bauelements 1, die nicht an das Substrat 9 bzw. den Kühlkörper 2 angrenzen bzw. mit diesem verbunden sind, können optional mit einer hier nicht dargestellten, elektrisch isolierenden dünnen Schutzschicht überzogen sein, die lediglich eine Schichtdicke im Bereich von 1 bis 20 μm aufweist und somit den Wärmeübergang zwischen dem Bauelement 1 und der Pulverschüttung 4 nicht oder nur unwesentlich behindert. Eine solche Schutzschicht kann dazu dienen, ein Eindringen von Pulvermaterial in eventuell vorhandene Spalte innerhalb des Bauelements 1 zu verhindern und das Bauelement 1 vor mechanischer Beschädigung zu schützen. Besonders hat es sich bewährt, wenn eine solche Schutzschicht aus einer elektrisch isolierenden Wärmeleitpaste, vorzugsweise einem Silikon-Gel, gebildet ist, um die Wärmeübergang zwischen dem Bauelement 1 und der Pulverschüttung 4 noch zu verbessern.
1c zeigt im Querschnitt die Anordnung aus 1a, bei welcher der Aufnahmebehälter 2d mit der Pulverschüttung 4 aufgefüllt vorliegt. Die Pulverschüttung 4 wird nun komprimiert, indem mittels eines Stempels 6 ein Druck in Richtung der dargestellten Pfeile auf die Pulverschüttung 4 ausgeübt wird. Der Stempel 6 weist dabei eine Aussparung für den mindestens einen elektrischen Anschlusskontakt 1a des Bauelements 1 auf, damit dieser beim Komprimiervorgang nicht beschädigt wird.
1d zeigt im Querschnitt die Anordnung gemäß 1a, welche im Aufnahmebehälter 2d des Kühlkörpers 2 eine komprimierte Pulverschüttung 4' aufweist, welche das Bauelement 1 innig umschließt. Der Aufnahmebehälter 2d ist mit einer Abdeckung 7 im Form einer dünnen Schicht aus Vergussmasse, wie einem herkömmlichen Silikon-Gel, verschlossen. Die Abdeckung 7 fixiert dabei die komprimierte Pulverschüttung 4' zuverlässig im Aufnahmebehälter 2d. Das resultierende Leistungshalbleitermodul 100 besitzt die Eigenschaft, dass im Betrieb des Bauelements 1 dessen Abwärme nicht nur in Richtung der Bodenplatte 2a des Kühlkörpers 2 vom Bauelement 1 abgeleitet wird, wie dies bei herkömmlichen Modulen der Fall war, sondern dass nun eine Wärmeableitung von allen Seiten des Bauelements 1 erfolgt. Im Bereich der Bodenplatte 2a waren bei herkömmlichen Modulen mit einer schlecht oder nicht wärmeleitenden Verkapselung aus Vergussmasse enthaltend Gel durchaus Temperaturen im Bereich von etwa 70 bis 80°C oder mehr üblich, während auf der dem Bauelement abgewandten Seite der Verkapselung lediglich Temperaturen im Bereich von etwa 25 bis 35°C vorlagen.
Das Leistungshalbleitermodul 100 zeigt im normalen Betrieb sowohl im Bereich der Bodenplatte 2a wie auch im Bereich der komprimierten Pulverschüttung 4 eine weitgehend gleichmäßige Temperatur im Bereich von etwa 40 bis 60°C. Die üblicherweise auftretenden Temperaturdifferenzen zwischen der Seite des Bauelements 1, die in Kontakt zum Kühlkörper 2 steht, und den Seiten des Bauelements 1, die in Kontakt zu einer Verkapselung enthaltend Gel stehen, werden eliminiert. Dies vermindert thermische Spannungen im Bauelement 1 und verlängert dessen Lebensdauer. Im Bereich des mindestens einen elektrischen Anschlusskontakts 1a kann das Leistungshalbleitermodul 100 an mindestens eine elektrische Versorgung angeschlossen und/oder mit weiteren Bauelementen oder Modulen der Leistungselektronik enger als bisher gepackt elektrisch verschaltet werden, ohne dass es zu einer Überhitzung und in Folge zu einem Ausfall von Bauelementen oder Modulen kommt.
2 zeigt ein weiteres Leistungshalbleitermodul 100' im Querschnitt, welches im Prinzip so ausgebildet wurde wie das Leistungshalbleitermodul 100 gemäß 1d. Die Abdeckung 7 des Leistungshalbleitermoduls 100' ist hier aber im Unterschied zur Abdeckung 7 des Leistungshalbleitermoduls 100 aus einer Abdeckplatte aus hochwärmeleitendem AlN gebildet, die den Aufnahmebehälter 2d des Kühlkörpers 2 verschließt und mindestens eine Durchlassöffnung für den mindestens einen elektrisch leitenden Anschlusskontakt 1a des Bauelements 1 aufweist. Auf der Seite der AlN-Abdeckplatte, welche der komprimierten Pulverschüttung 4' abgewandt ist, ist ein weiterer Kühlkörper 20 angeordnet, wobei zwischen der Abdeckplatte und dem weiteren Kühlkörper 20 optional eine weitere Schicht aus Wärmeleitpaste angeordnet werden kann, um die Wärmeleitung zwischen Abdeckplatte und weiterem Kühlkörper 20 noch zu verbessern.
Der weitere Kühlkörper 20 ist aus Metall gebildet und weist eine Platte 20a mit mindestens einer Durchgangsöffnung 20e für den mindestens einen elektrischen Anschlusskontakt 1a des Bauelements 1 sowie Kühlrippen 20b auf. Aufgrund des weiteren Kühlkörpers 20 ist die Ableitung der Abwärme des Bauelements 1 im Betrieb des Leistungshalbleitermoduls 100' noch verbessert und weiter vergleichmäßigt. Im Bereich des mindestens einen elektrischen Anschlusskontakts 1a kann das Leistungshalbleitermodul 100' an mindestens eine elektrische Versorgung angeschlossen und/oder mit weiteren Bauelementen oder Modulen der Leistungselektronik enger als bisher gepackt elektrisch verschaltet werden, ohne dass es zu einer Überhitzung und in Folge zu einem Ausfall von Bauelementen oder Modulen kommt.
3a zeigt im Querschnitt eine Anordnung gemäß 1a, bei welcher der Aufnahmebehälter 2d des Kühlkörpers 2 mit einer metallischen Abdeckung 7 weitgehend verschlossen ist. Im Bereich des mindestens einen elektrischen Anschlusskontakts 1a des Bauelements 1 weist die Abdeckung 7 eine Öffnung 7a auf, durch welche der mindestens eine elektrische Anschlusskontakt 1a ragt. Die ursprüngliche Öffnung des Aufnahmebehälters 2d des Kühlkörpers 2 ist somit mittels der Abdeckung 7 reduziert.
3b zeigt im Querschnitt die Anordnung gemäß 3a und eine Einblasdüse 5', welche im Bereich der Öffnung 7a der Abdeckung 7 angeordnet ist. Mittels der Einblasdüse 5' wird unter zu Hilfenahme eines Trägergases eine Pulverschüttung 4 in den Aufnahmebehälter 2d eingeblasen, bis dieser möglichst vollständig mit der Pulverschüttung gefüllt ist. Dabei sind hier nicht dargestellte kleine Auslassöffnungen im Bereich der Abdeckung 7 vorgesehen, die ein Entweichen des Trägergases, nicht aber der Pulverschüttung 4 ermöglichen. Als Trägergas haben sich hierbei, Luft, Stickstoff, oder Argon bewährt.
3c zeigt im Querschnitt das fertig gestellte Leistungshalbleitermodul 101, bei welchem der Aufnahmebehälter 2d mittels einer Vergussmasse 8, beispielsweise aus elektrisch isolierendem Sauereisenzement, vollständig verschlossen wurde. Im Bereich des mindestens einen elektrischen Anschlusskontakts 1a kann das Leistungshalbleitermodul 101 an mindestens eine elektrische Versorgung angeschlossen und/oder mit weiteren Bauelementen oder Modulen der Leistungselektronik enger als bisher gepackt elektrisch verschaltet werden, ohne dass es zu einer Überhitzung und in Folge zu einem Ausfall von Bauelementen oder Modulen kommt.
4 zeigt ein weiteres Leistungshalbleitermodul 100' im Querschnitt, welches nach dem in den 3a bis 3c beschriebenen zweiten Verfahren gebildet wurde und ähnlich ausgebildet ist wie das Leistungshalbleitermodul 100' gemäß 2. Die beim Leistungshalbleitermodul 100' gemäß 2 vorhandene Abdeckung 7 ist hier aber weggelassen. Das Bauelement 1 ist zudem auf einem elektrisch isolierenden Substrat 9', das mit hier nicht dargestellten elektrischen Anschlussleitungen für das Bauelement 1 versehen ist, fixiert. Zwischen dem Substrat 9' und dem Bauelement 1 ist eine Wärmeleitpaste 3 angeordnet. Auf der dem Bauelement 1 abgewandten Seite des Substrats 9' befindet sich der Kühlkörper 2 mit seiner Bodenplatte 2a und den Kühlrippen 2b. Zwischen dem Substrat 9' und dem Kühlkörper 2 kann eine weitere, hier nicht gesondert dargestellte Wärmeleitpastenschicht angeordnet sein. Weiterhin ist ein ringförmiges Gehäuse 10 aus Keramik auf dem Substrat 9' fixiert, das das Bauelement 1 umgibt und überragt. Das Gehäuse 10 und das Substrat 9' bilden einen Aufnahmebehälter für eine Pulverschüttung 4. Der weitere Kühlkörper 20' bildet eine Abdeckung für den Aufnahmebehälter aus und stellt mindestens eine Durchlassöffnung 20e' für den mindestens einen elektrisch leitenden Anschlusskontakt 1a des Bauelements 1 bereit. Dabei verschließen das Substrat 9', das Gehäuse 10 und der weitere Kühlkörper 20' den Aufnahmebehälter bis auf die Durchlassöffnung 20e', so dass die Pulverschüttung 4 über die Durchlassöffnung 20e' eingeblasen werden kann.
Der weitere Kühlkörper 20' ist aus Metall gebildet und weist eine Platte 20a' mit der mindestens einer Durchgangsöffnung 20e' für den mindestens einen elektrischen Anschlusskontakt 1a des Bauelements 1 sowie die Kühlrippen 20b' auf. Aufgrund der Anordnung des weiteren Kühlkörpers 20' ist die Ableitung der Abwärme des Bauelements 1 im Betrieb des Leistungshalbleitermoduls 100' gemäß 2 noch weiter verbessert und vergleichmäßigt. Im Bereich des mindestens einen elektrischen Anschlusskontakts 1a kann das Leistungshalbleitermodul 100'' an mindestens eine elektrische Versorgung angeschlossen und/oder mit weiteren Bauelementen oder Modulen der Leistungselektronik enger als bisher gepackt elektrisch verschaltet werden, ohne dass es zu einer Überhitzung und in Folge zu einem Ausfall von Bauelementen oder Modulen kommt.
Die 1a bis 4 zeigen lediglich Beispiele der Erfindung und es ist für den Fachmann ohne erfinderisch tätig werden zu müssen ohne weiteres möglich, Leistungshalbleitermodule mit einem anderen Aufbau gemäß der Erfindung auszubilden und herzustellen.

1: Bauelement der Leistungselektronik
1a: elektrischer Anschlusskontakt des Bauelements 1
2: Kühlkörper
2a: Bodenplatte des Kühlkörpers 2
2b: Kühlrippen des Kühlkörpers 2
2c: Wandung eines Aufnahmebehälters 2d des Kühlkörpers 2
2d: Aufnahmebehälter
3: Wärmeleitpaste
4: Pulverschüttung
4': komprimierte Pulverschüttung
5: Füllschuh
5': Einblasdüse
6: Stempel
7: Abdeckung
7a: Öffnung in der Abdeckung 7
8: Vergussmasse
9, 9': Substrat
10: Gehäuse
20, 20': weiterer Kühlkörper
20a, 20a': Bodenplatte des weiteren Kühlkörpers 20, 20'
20b, 20b': Kühlrippen des weiteren Kühlkörpers 20, 20'
20e, 20e': Öffnung im weiteren Kühlkörper 20, 20' für elektrischen Kontakt 1a
100, 100', 100'', 101: Leistungshalbleitermodul

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10130517 C2 [0002]

Claims

Leistungshalbleitermodul (100, 100', 100'', 101), umfassend mindestens ein Bauelement (1) der Leistungselektronik auf einem Substrat (9, 9'), dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Bauelement (1) auf seinen ohne Substrat (9, 9') vorliegenden Seiten in eine Pulverschüttung (4, 4') eingebettet vorliegt, wobei die Pulverschüttung (4, 4') aus mindestens einem Pulvermaterial gebildet ist, das einen spezifischen elektrischen Widerstand von größer als 10³ Ωcm und eine Wärmeleitfähigkeit von größer als 1 W/mK aufweist.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleitermodul (100, 100', 100'', 101) weiterhin mindestens einen, mit mindestens einer Seite des mindestens einen Bauelements (1) direkt oder indirekt mechanisch fest verbundenen Kühlkörper (2) zur Ableitung von Abwärme des mindestens einen Bauelements (1) aufweist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverschüttung (4, 4') mindestens zwei Pulvermaterialien umfasst, die sich bei Raumtemperatur hinsichtlich des spezifischen elektrischen Widerstands und/oder der Wärmeleitfähigkeit unterscheiden.
Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverschüttung (4, 4') mindestens ein Pulvermaterial aus der Gruppe unfassend Bornitrid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, SiAlON, Siliziumcarbid, Zinkoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Steatit und Forsterit aufweist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kühlkörper (2) mindestens einen Aufnahmebehälter (2d) für die Pulverschüttung (4, 4') ausbildet.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverschüttung (4) im mindestens einen Aufnahmebehälter (2d) mechanisch komprimiert ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Pulvermaterial eine maximale Pulverkörngröße von 200 μm aufweist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverschüttung (4, 4') mittels einer Abdeckung (7) verkapselt ist.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (7) durch einen Deckel und/oder eine Vergussmasse gebildet ist.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (7) durch einen weiteren Kühlkörper (20') ausgebildet ist oder auf ihrer dem mindestens einen Bauelement (1) abgewandten Seite mit mindestens einem weiteren Kühlkörper (20) mechanisch fest verbunden ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kühlkörper (2) und/oder der mindestens eine weitere Kühlkörper (20, 20') aus einem Metall, einer Metall-Legierung oder aus AlN gebildet sind.
Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem mindestens einen Bauelement (1) und der Pulverschüttung (4, 4') eine Schutzschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 1 bis 20 μm angeordnet ist, insbesondere aus Silikon-Gel.
Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Bauelement (1) mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement ist.
Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls (100, 100', 100'', 101), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Bereitstellen mindestens eines Bauelements (1) der Leistungselektronik auf einem Substrat (9, 9'); Einbetten des mindestens einen Bauelements (1) auf seinen ohne Substrat (9, 9') vorliegenden Seiten in eine Pulverschüttung (4, 4'), wobei die Pulverschüttung (4, 4') aus mindestens einem Pulvermaterial gebildet wird, das einen spezifischen elektrischen Widerstand von größer als 10³ Ωcm, insbesondere von größer als 10⁸ Ωcm, und eine Wärmeleitfähigkeit von größer als 1 W/mK, insbesondere von größer als 5 W/mK, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin mindestens ein Kühlkörper (2) zur Ableitung von Abwärme des mindestens einen Bauelements (1) bereitgestellt wird und dieser direkt oder indirekt mechanisch fest mit mindestens einer Seite des mindestens einen Bauelements (1) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kühlkörper (2) mindestens einen Aufnahmebehälter (2d) für die Pulverschüttung (4, 4') ausbildet und dass das Pulvermaterial (4, 4') in den mindestens einen Aufnahmebehälter (2d) gefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kühlkörper (2) mindestens einen Aufnahmebehälter (2d) für die Pulverschüttung (4) ausbildet, dass eine Öffnung des Aufnahmebehälter (2d) zum Einfüllen der Pulverschüttung (4) mittels einer Abdeckung (7), insbesondere in Form eines Deckels, reduziert wird, dass das Pulvermaterial (4) durch die verbleibende reduzierte Öffnung (7a) in den Aufnahmebehälter (2d) eingeblasen wird und dass die reduzierte Öffnung (7a) verschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverschüttung (4) mechanisch komprimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Komprimierung mittels Rüttelns der Pulverschüttung (4) und/oder Aufbringens einer Druckbelastung auf die Pulverschüttung (4), insbesondere mittels eines Stempels, erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverschüttung (4, 4') mittels einer Abdeckung (7), insbesondere in Form eines Deckels und/oder einer Vergussmasse, verkapselt wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (7) durch einen weiteren Kühlkörper (20') gebildet wird oder auf ihrer dem mindestens einen Bauelement (1) abgewandten Seite mechanisch fest mit mindestens einem weiteren Kühlkörper (20) verbunden wird.