DE10205408A1 - Halbleitermodul - Google Patents

Abstract

Halbleitermodul, bestehend aus einem Gehäuse (1), welches an einer Seite durch einen metallischen Wärmeleitsockel (2) abgeschlossen ist, der im Gehäuseinneren mit zumindest einer beidseitig metallisch beschichteten, elektrisch isolierenden und gut wärmeleitenden Keramikschicht (3) über eine Lotschicht (4) verbunden ist, wobei auf der inneren (5) der beiden metallischen Beschichtungen (5, 6) zumindest ein Halbleiterelement (7, 8) sitzt, und der Wärmeleitsockel (2) als Kühlkörper (9) ausgebildet ist, welcher zur Ableitung der im Betrieb auftretenden Verlustleistung des Moduls bei focierter Kühlung durch ein Kühlfluidum dimensioniert ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleitermodul, bestehend aus einem Gehäuse, welches an einer Seite durch einen metallischen Wärmeleitsockel abgeschlossen ist, der im Gehäuse­ inneren mit zumindest einer beidseitig metallisch beschichteten, elektrisch isolierenden und gut wärmeleitenden Keramikschicht über eine Lotschicht verbunden ist, wobei auf der inneren der beiden metallischen Beschichtungen zumindest ein Halbleiterelement sitzt.

Ein Halbleiterelement dieser Art ist beispielsweise in der DE 199 52 966 A1 beschrieben. Aus diesem Dokument geht auch die Bedeutung eines guten Wärmeüberganges zwischen Halb­ leiterelement und Wärmeleitsockel hervor, der mit Hilfe z. B. eines Bolzens an einem Kühl­ körper befestigt werden kann. Die Befestigung eines Halbleitermoduls an einem Kühlkörper ist jedoch mit verschiedenen Problemen verbunden, welche die thermische Belastbarkeit des Moduls betreffen.

Zwischen den Oberflächen des Wärmeleitsockels und des Kühlkörpers sollte ein innig wärmeleitender Kontakt hergestellt werden, doch ist der Wärmeübergangswiderstand stark von der Oberflächenqualität, wie z. B. Planheit, Rauhigkeit, dem Anpressdruck, der Art einer allfällig verwendeten Wärmeleitpasta, der Beschaffenheit allfälliger Isolierlagen, etc. abhän­ gig und überdies zeitlich variabel, z. B. durch Alterungsprozesse. Der genannte Wärmeüber­ gangswiderstand ist somit weder genau vorherbestimmbar, noch reproduzierbar oder konstant, sodass bei der Dimensionierung immer von einem wesentlich schlechteren Wert als theoretisch erreichbar ausgegangen werden muss.

Ein weiteres Problem liegt darin, dass ein Kühlkörper, z. B. ein solcher mit Kühlrippen und Luftkühlung, im Bereich der Befestigung an dem Halbleitermodul eine gewisse Mindestdi­ cke, z. B. 8 bis 10 mm, aufweisen muss, um eine ausreichende mechanische Festigkeit, z. B. für Gewindebohrungen, zu bieten. Durch diese Dicke erhöht sich aber wieder der Wärmeübergangswiderstand bzw. die zugehörige Zeitkonstante zwischen Wärmeleitsockel und dem tatsächlich gekühlten Bereich (Kühlrippen). So kann beispielsweise bei üblichen Kühlkörpern aus Aluminium in deren Grundplatte bei Hochleistungskühlanordnungen eine Temperaturdifferenz von 2 bis 3 K je 10 mm auftreten.

Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, bei Anwendungen mit sehr hoher Leistungsdichte die Bedingungen für die Kühlung so zu verbessern, dass den oben genannten Nachteilen entgegengewirkt wird.

Diese Aufgabe wird mit einem Halbleitermodul der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem erfindungsgemäß der Wärmeleitsockel als Kühlkörper ausgebildet ist, welcher zur Ableitung der im Betrieb auftretenden Verlustleistung des Moduls bei forcierter Kühlung durch ein Kühlfluidum dimensioniert ist.

Die Erfindung verzichtet somit bewusst auf eine physikalische Trennung zwischen Wärme­ leitsockel und Kühlkörper, wodurch die damit verbundenen Probleme des Wärmeübergan­ ges vermieden sind. Auch kann der Weg zwischen dem zu kühlenden Halbleiterelement und dem Kühlfluidum signifikant verkürzt werden. Für den Anwender entfällt die Notwen­ digkeit, einen Kühlkörper zu beschaffen und die genannten Unsicherheiten bei der Montage an einem Kühlkörper entfallen. Der als Kühlkörper ausgebildete Wärmeleitsockel benötigt wesentlich weniger Material, als die Kombination Wärmeleitsockel-Kühlkörper.

Für die vorgesehenen Hochleistungsanwendungen empfiehlt es sich besonders, wenn der Wärmeleitsockel aus Kupfer besteht.

Bei Kühlung mit Gasen, insbesondere mit Luft ist es zweckmäßig, wenn der Kühlkörper mit Kühlrippen versehen ist.

Andererseits ist es insbesondere bei Flüssigkeitskühlung ratsam, dass der Kühlkörper Kanäle zur Führung des Kühlfluidums besitzt.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung besteht die Keramikschicht aus Alumi­ niumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid oder Berylliumoxid, was aber andere Materialien nicht ausschließen soll.

Es ist weiters im Hinblick auf einen bestmöglichen Wärmeübergang sinnvoll, wenn das zumindest eine Halbleiterelement auf der inneren metallischen Beschichtung aufgelötet ist.

Besonders sinnvoll zeigt sich die Erfindung, wenn das zumindest eine Halbleiterelement ein SiC-Halbleiterelement ist, da derartige Halbleiterelemente besonders hohe Temperaturen zulassen.

Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist im folgenden anhand beispielsweiser Aus­ führungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch ein Halbleitermodul gemäß der Erfindung,

Fig. 2 in einer ähnlichen Darstellung ein solches Halbleitermodul mit anderer Ausgestal­ tung des Kühlkörpers.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht ein Halbleitermodul gemäß der Erfindung aus einem Gehäuse 1, das an einer Seite durch einen Wärmeleitsockel 2 abgeschlossen ist. Ein solcher Wärmeleitsockel besteht im allgemeinen aus Metall, z. B. aus Aluminium oder Kupfer, bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung jedoch aus Kupfer mit einer zumindest teilweisen Vernickelung. Das Gehäuse 1 ist in geeigneter, hier nicht im Detail dargestellter, dem Fachmann jedoch bekannter Art und Weise mit dem Wärmeleitsockel 2 verbunden und kann jede gewünschte Form aufweisen.

Im Inneren des Gehäuses ist mit dem Wärmeleitsockel 2 eine Keramikschicht 3 über eine Lotschicht 4 verbunden. Die Keramikschicht 3 ist beidseitig metallisch beschichtet und elektrisch isolierend, jedoch gut wärmeleitend. Eine solche Keramikschicht kann beispiels­ weise aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid oder Beryllium­ oxid bestehen. Sie ist beidseitig metallisch beschichtet, einerseits um einen lötbaren Über­ gang zur Lotschicht 4 zu ermöglichen und andererseits um eine Verbindung mit einem Halbleiterelement 7, 8 zu ermöglichen. Ein solches Halbleiterelement 7, 8 kann gegebenen­ falls durch geeignete federnde Mittel gegen die Keramikschicht gepresst sein.

Die Halbleiterelemente 7, 8 können beispielsweise durch Löten mit der inneren metallischen Beschichtung 5 der Keramikschicht 3 verbunden sein. Da für die Erfindung nicht wesentlich, sind elektrische Anschlüsse zu den Halbleiterelementen 7, 8 nicht gezeigt, in der Praxis jedoch selbstverständlich vorhanden.

Wie Fig. 1 entnehmbar, ist der Wärmeleitsockel 2 als insgesamt mit 9 bezeichneter Kühlkör­ per ausgebildet der abstehende Kühlrippen 10 besitzt. Das Halbleitermodul kann beispiels­ weise mit Hilfe von Schrauben in einem elektronischen Gerät befestigt werden, wozu bei­ spielsweise Durchgangsbohrungen 12 oder Gewindebohrungen in vorstehenden Abschnit­ ten des Wärmeleitsockels 2 ausgebildet sind.

In den Halbleiterelementen 7, 8 während des Betriebes entstehende Verlustwärme wird über die Keramikschicht 3 und die metallischen Beschichtungen 5, 6 sowie allfällige Lotschichten unmittelbar in den Kühlkörper 9 abgeleitet, ohne dass es zu den eingangs erwähnten Prob­ lemen des Wärmeüberganges zwischen einem Wärmeleitsockel einerseits und einem Kühl­ körper andererseits kommt. Insgesamt kann der Abstand zwischen den Halbleiterelementen 7, 8 und den beispielsweise von Luft umblasenen Kühlrippen 10 besonders gering gehalten werden.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 entspricht im wesentlichen jener nach Fig. 1, doch ist hier der Kühlkörper 9, gebildet von dem Wärmeleitsockel 2, mit Kanälen 11 versehen, durch welche ein Kühlfluidum fließen kann. Mittels eines solchen Kühlfluidums, beispielsweise Wasser, kann naturgemäß bei Höchstleistungsanwendungen eine besonders effektive Küh­ lung erzielt werden. Befestigungsbohrungen 13 sind hier als Sackbohrungen gezeigt.

Claims (7)

1. Halbleitermodul, bestehend aus einem Gehäuse (1), welches an einer Seite durch einen metallischen Wärmeleitsockel (2) abgeschlossen ist, der im Gehäuseinneren mit zumin­ dest einer beidseitig metallisch beschichteten, elektrisch isolierenden und gut wärmelei­ tenden Keramikschicht (3) über eine Lotschicht (4) verbunden ist, wobei auf der inneren (5) der beiden metallischen Beschichtungen (5, 6) zumindest ein Halbleiterelement (7, 8) sitzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitsockel (2) als Kühlkörper (9) ausgebildet ist, welcher zur Ableitung der im Betrieb auftretenden Verlustleistung des Moduls bei forcierter Kühlung durch ein Kühl­ fluidum dimensioniert ist.

2. Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitsockel (2) aus Kupfer besteht.

3. Halbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkör­ per (9) mit Kühlrippen (10) versehen ist.

4. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (9) Kanäle (11) zur Führung des Kühlfluidums besitzt.

5. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschicht (3) aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Siliziumcar­ bid oder Berylliumoxid besteht.

6. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Halbleiterelement (7, 8) auf der inneren metallischen Beschichtung (5) aufgelötet ist.

7. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Halbleiterelement (7, 8) ein SiC-Halbleiterelement ist.