DE19647590A1 - High power semiconductor multi-chip module e.g. for power electronics - Google Patents
High power semiconductor multi-chip module e.g. for power electronicsInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie betrifft ein Hochleistungs-Halblei termodul, bei welchem eine Mehrzahl von Halbleiterchips auf der Oberseite wenigstens eines Keramiksubstrats angeordnet sind, welches Keramiksubstrat einen ersten thermischen Aus dehnungskoeffizienten aufweist, und bei welchem das Kera miksubstrat mit seiner Unterseite auf einer thermisch gut leitenden Grundplatte hoher Wärmekapazität angeordnet und mit dieser Grundplatte stoffschlüssig verbunden ist, wobei die Grundplatte aus einem Material mit einem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht, welcher sich von dem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten unterscheidet.The present invention relates to the field of Power electronics. It concerns a high-performance semi-lead Term module, in which a plurality of semiconductor chips the top of at least one ceramic substrate which ceramic substrate has a first thermal out has expansion coefficients, and in which the Kera miksubstrat with its underside on a thermally good conductive base plate of high heat capacity arranged and with this base plate is integrally connected, the Base plate made of one material with a second thermal Expansion coefficient exists, which differs from the first thermal expansion coefficient differs.
Hochleistungs-Halbleitermodule sind Komponenten für die Lei stungselektronik. Ein Modul beinhaltet in der Regel mehrere Halbleiterbauelemente, die zu einer logischen Funktionsein heit, z. B. einer Halbbrücke, zusammengefaßt werden. Solche Module (Thyristor-, Transistor-, IGBT- oder Dioden-Module) sind heute im Leistungsbereich bis zu 2500 V und einigen 100 A weit verbreitet und werden vor allem in Industrieantrieben eingesetzt. Beispiele für Module der genannten Art sind aus der EP-A1-0 597 144 oder aus einem Artikel von T. Stockmeier et al., Reliable 1200 Amp 2500 V IGBT Modules for Traction Applications, IEE IGBT Propulsion Drives Colloquium, London, April 1995, bekannt.High-performance semiconductor modules are components for the Lei electronic equipment. A module usually contains several Semiconductor devices that are part of a logical function unit, e.g. B. a half bridge can be summarized. Such Modules (thyristor, transistor, IGBT or diode modules) are today in the power range up to 2500 V and some 100 A widely used and used mainly in industrial drives used. Examples of modules of the type mentioned are from EP-A1-0 597 144 or from an article by T. Stockmeier et al., Reliable 1200 Amp 2500 V IGBT Modules for Traction Applications, IEE IGBT Propulsion Drives Colloquium, London, April 1995, known.
In Traktionsantrieben haben diese Module bisher nur sehr be grenzt Eingang gefunden. Dies liegt neben der begrenzten Strom- und Spannungstragfähigkeit der Module auch an der ge forderten Langzeit-Zuverlässigkeit, die von den bisher be kannten Modulen nicht erfüllt werden konnte. Beim heutigen Stand der Technik ist einer der dominierenden Ausfallmecha nismen die Lotermüdung zwischen den einzelnen Substratinseln, auf die die Siliziumchips aufgebaut werden, und der Boden platte (Grundplatte) des Moduls.So far, these modules have only been very useful in traction drives borders entrance found. This is alongside the limited Current and voltage carrying capacity of the modules also on the ge demanded long-term reliability, which so far be known modules could not be met. Today State of the art is one of the dominant failure mechanisms the solder fatigue between the individual substrate islands, on which the silicon chips are built, and the bottom plate (base plate) of the module.
Das Ablösen der Lotverbindung durch Ermüden führt dazu, daß das Bauelement mittels der selbsterzeugten Verlustwärme über die maximal erlaubte Betriebstemperatur aufgeheizt wird. Die dadurch entstehende Überhitzung führt zum Ablösen der Bond drähte und damit zu einer Zerstörung des Moduls. Die maximale Anzahl von Lastwechseln, nach denen der erwähnte Ausfall auf tritt, hängt empfindlich von der Kühlertemperatur, dem Tempe raturhub, den verwendeten Materialien und der Geschwindigkeit der Temperaturänderung ab.The loosening of the solder connection by fatigue leads to the fact that the component by means of the self-generated heat loss the maximum permitted operating temperature is heated. The the resulting overheating leads to the detachment of the bond wires and thus destroy the module. The maximal Number of load changes after which the mentioned failure occurs occurs depends on the cooler temperature, the tempe raturhub, the materials used and the speed the temperature change.
Konventionelle Module, wie sie in Fig. 1 im Querschnitt dar gestellt sind, umfassen eine Mehrzahl von Siliziumbauelemen ten bzw. Halbleiterchips 15, 16, die meistens auf ein elek trisch isolierendes, beidseitig mit einer Metallisierung 13 bzw. 14 versehenes Keramiksubstrat 12 aufgebaut (aufgelötet) sind. Mehrere dieser Keramiksubstrate 12 werden dann zu einem Hochleistungs-Halbleitermodul 10 zusammengefaßt, d. h., die Keramiksubstrate 12 werden mittels einer Lotschicht 17 aus Weichlot auf eine Bodenplatte bzw. Grundplatte 11 aufgelötet, die vorzugsweise aus Cu besteht.Conventional modules, as shown in cross section in FIG. 1, comprise a plurality of silicon components or semiconductor chips 15 , 16 , most of which are built onto an electrically insulating ceramic substrate 12 provided on both sides with a metallization 13 or 14 (soldered) ) are. Several of these ceramic substrates 12 are then combined to form a high-performance semiconductor module 10 , ie the ceramic substrates 12 are soldered onto a base plate or base plate 11 , which preferably consists of Cu, by means of a solder layer 17 made of soft solder.
Cu wird deshalb bevorzugt gewählt, weil es neben der guten Prozeßbearbeitbarkeit eine hohe thermische Leitfähigkeit und eine hohe Wärmespeicherkapazität besitzt. Die guten thermi schen Eigenschaften des verwendeten Materials sind entschei dend für die Langzeitzuverlässigkeit vor allem solcher Mo dule die in luftgekühlten Anwendungen zum Einsatz kommen.Cu is preferred because it is good Process workability high thermal conductivity and has a high heat storage capacity. The good thermi The properties of the material used are decisive dend for long-term reliability especially such Mo. modules that are used in air-cooled applications.
Um die im Betrieb auftretende Verlustwärme effizient abführen zu können, und um einen kleinen Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten (Coefficients of Thermal Expansion oder CTEs) zwischen Halbleiterchips 15, 16 und Kera miksubstrat 12 zu bekommen, verwendet man heute für das Kera miksubstrat bevorzugt AlN-Keramiken mit einem CTE von ∼ 5 ppm/K und einer thermischen Leitfähigkeit von k = 180 W/mK. Die großen Unterschiede der thermischen Ausdehnungskoeffizi enten von Cu (CTE von ∼ 17 ppm/K) gegenüber AlN (CTE von ∼ 5 ppm/K) verursachen im Betriebszustand große thermomechani sche Spannungen an der Lotverbindung (Lotschicht 17) zwischen Keramiksubstrat 12 und Grundplatte 11, die dann nach einer geringen Anzahl von Lastwechseln zum Ablösen der Keramik von der Grundplatte 11 führen.In order to be able to efficiently dissipate the heat loss occurring during operation and to get a small difference in the coefficients of thermal expansion (CTEs) between semiconductor chips 15 , 16 and ceramic substrate 12 , AlN ceramics are preferably used for the ceramic substrate today with a CTE of ∼ 5 ppm / K and a thermal conductivity of k = 180 W / mK. The large differences in the thermal expansion coefficients of Cu (CTE of ∼ 17 ppm / K) compared to AlN (CTE of ∼ 5 ppm / K) cause large thermomechanical stresses at the solder connection (solder layer 17 ) between the ceramic substrate 12 and the base plate 11 in the operating state, which then lead to the detachment of the ceramic from the base plate 11 after a small number of load changes.
Durch Verwendung von Metall-Matrix-Materialien (Kompositmaterialien) wie z. B. AlSiC oder CuSiC mit einstell baren CTEs von 6-15 ppm/K anstelle von Cu könnte die Lotermü dung durch thermomechanische Überbeanspruchung vollständig verhindert werden. Die Kompositmaterialien weisen jedoch für den Einsatz im luftgekühlten Betrieb, welcher im leichten und mittleren Nahverkehr bevorzugt wird, entscheidende Nachteile auf: Der thermische Widerstand von diesen Kompositmaterialien ist rund doppelt so groß wie derjenige von Cu, d. h., um das Cu hinsichtlich der thermischen Leitung gleichwertig zu er setzen, müßte das Kompositmaterial die halbe Dicke aufwei sen. Da aber das spezifische Gewicht der Kompositmaterialien nur ungefähr ein Drittel des spezifischen Gewichts von Cu beträgt, nimmt dementsprechend die thermische Speicherfähig keit bei gleicher Geometrie gegenüber Cu um rund 40% ab. Das transiente thermische Verhalten derart aufgebauter Module reicht daher für die überwiegende Mehrzahl der Anwendungen in luftgekühlten Lokomotiven nicht aus.By using metal matrix materials (Composite materials) such. B. AlSiC or CuSiC with adjust CLEs of 6-15 ppm / K instead of Cu could due to thermomechanical overload be prevented. However, the composite materials show use in air-cooled operation, which in light and medium-sized public transport is preferred, decisive disadvantages on: The thermal resistance of these composite materials is around twice that of Cu, i.e. i.e. to that Cu equivalent to he in terms of thermal conduction the composite material would have to be half the thickness sen. But since the specific weight of the composite materials only about a third of the specific weight of Cu is accordingly the thermal storage capacity with the same geometry compared to Cu by around 40%. The transient thermal behavior of modules constructed in this way is therefore sufficient for the vast majority of applications air-cooled locomotives.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Hochleistungs-Halb leitermodul zu schaffen, welches lastwechselfest ist und gleichzeitig eine hohe spezifische Wärmekapazität und einen ausgezeichneten transienten Wärmewiderstand aufweist.It is therefore an object of the invention to provide a high performance half to create a conductor module which is load-change resistant and at the same time a high specific heat capacity and one has excellent transient thermal resistance.
Die Aufgabe wird bei einem Hochleistungs-Halbleitermodul der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zwischen dem Ke ramiksubstrat und der Grundplatte eine Zwischenplatte ange ordnet ist, daß die Zwischenplatte aus einem Material mit einem dritten thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht, welcher von der Größe her zwischen den beiden ersten thermi schen Ausdehnungskoeffizienten liegt, und daß das Kera miksubstrat mit der Oberseite der Zwischenplatte und die Grundplatte mit der Unterseite der Zwischenplatte stoff schlüssig verbunden sind. Durch die Zwischenplatte mit ihrem mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizienten werden die ge samten thermischen Spannungen zwischen Keramiksubstrat und Grundplatte auf wenigstens zwei Verbindungen aufgeteilt. Da durch reduziert sich die Belastung pro Verbindungsschicht auf ein weitgehend unschädliches Maß.The task is with a high-performance semiconductor module initially mentioned type in that between the Ke ramic substrate and the base plate an intermediate plate arranges that the intermediate plate with a material there is a third coefficient of thermal expansion, which is the size between the first two thermi expansion coefficient, and that the Kera miksubstrat with the top of the intermediate plate and the Base plate with the underside of the intermediate plate fabric are conclusively connected. Through the intermediate plate with your mean coefficients of thermal expansion are the ge entire thermal stresses between the ceramic substrate and Base plate divided into at least two connections. There this reduces the load per connection layer a largely harmless measure.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Moduls ist dadurch gekennzeichnet, daß der dritte thermische Ausdehnungskoeffizient von der Größe her ungefähr in der Mitte zwischen dem ersten und dem zweiten thermischen Ausdeh nungskoeffizienten liegt. Hierdurch wird eine weitgehende Gleichverteilung der thermomechanischen Belastung auf die beiden stoffschlüssigen Verbindungen erreicht.A first preferred embodiment of the invention Module is characterized in that the third thermal Expansion coefficient of approximately the size Middle between the first and the second thermal expansion coefficient. This will be an extensive Uniform distribution of the thermomechanical load on the reached two integral connections.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Moduls nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß das Keramiksubstrat aus einer AlN-Keramik besteht, daß die Grundplatte aus Cu besteht, und daß die Zwischenplatte aus einem Siliziumkar bid-Kompositmaterial besteht. Während sich AlN-Keramik als Träger für die Siliziumchips bewährt hat, und Cu wegen seiner ausgezeichneten thermischen und Bearbeitungs-Eigenschaften für die Kühlung und Wärmespeicherung besonders geeignet ist, steht mit einem Siliziumkarbid-Kompositmaterial ein Material für die Zwischenplatte zur Verfügung, welches sich im thermi schen Ausdehnungskoeffizienten einstellen und damit optimal an die Anwendung anpassen läßt.Another preferred embodiment of the module according to the Invention is characterized in that the ceramic substrate consists of an AlN ceramic that the base plate made of Cu consists, and that the intermediate plate of a silicon Kar bid composite material exists. While AlN ceramics as Carrier for the silicon chips has proven, and Cu because of its excellent thermal and machining properties is particularly suitable for cooling and heat storage, is a material with a silicon carbide composite material available for the intermediate plate, which is in the thermi set coefficient of expansion and thus optimal can be adapted to the application.
Besonders bewährt hat es sich dabei, wenn die Zwischenplatte aus AlSiC oder CuSiC besteht und der dritte thermische Aus dehnungskoeffizient der Zwischenplatte zwischen 7 und 14, vorzugsweise bei etwa 9 ppm/K liegt. It has proven particularly useful when the intermediate plate consists of AlSiC or CuSiC and the third thermal Aus expansion coefficient of the intermediate plate between 7 and 14, is preferably about 9 ppm / K.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie len im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigenIn the following, the invention is intended to be based on exemplary embodiments len are explained in connection with the drawing. Show it
Fig. 1 im Querschnitt ein Modul nach dem Stand der Tech nik mit einer direkten Lotverbindung zwischen dem Keramiksubstrat und der Grundplatte; und Figure 1 in cross section a module according to the prior art technology with a direct solder connection between the ceramic substrate and the base plate. and
Fig. 2 im Querschnitt ein bevorzugtes Ausführungsbei spiel für ein Modul nach der Erfindung mit einer zusätzlichen Zwischenplatte zwischen Kera miksubstrat und Grundplatte. Fig. 2 in cross section a preferred Ausführungsbei game for a module according to the invention with an additional intermediate plate between ceramic substrate and base plate.
Der in Fig. 1 dargestellte und eingangs bereits beschriebene konventionelle Modulaufbau zeichnet sich dadurch aus, daß die Halbleiterchips 15, 16 auf der Oberseite eines beidseitig metallisierten Keramiksubstrats 12 aufgelötet sind. Das Kera miksubstrat 12 ist seinerseits direkt auf die Grundplatte 11 aufgelötet (Lotschicht 17). Durch die hohe thermische Leitfä higkeit des AlN kann die Verlustwärme effizient von den Bau elementen (15, 16) abgeführt werden. Diese hohe thermische Leitfähigkeit verhindert jedoch eine thermische Spreizung in der Grundplatte 11, d. h., der im Betrieb entstehende Tempera turhub wird direkt auf die Lotschicht 17 übertragen. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Cu ist gegenüber dem von AlN rund 3,80 mal größer. Die Lotschicht 17 wird über die Elastizitätsgrenze beansprucht. Dies führt zu einem Ermü dungsbruch nach wenigen thermischen Zyklen. The conventional module structure shown in FIG. 1 and already described at the outset is characterized in that the semiconductor chips 15 , 16 are soldered onto the top of a ceramic substrate 12 metallized on both sides. The ceramic substrate 12 is in turn soldered directly onto the base plate 11 (solder layer 17 ). Due to the high thermal conductivity of the AlN, the heat loss can be efficiently dissipated from the components ( 15 , 16 ). However, this high thermal conductivity prevents thermal spreading in the base plate 11 , ie the temperature rise occurring during operation is transferred directly to the solder layer 17 . The thermal expansion coefficient of Cu is around 3.80 times greater than that of AlN. The solder layer 17 is stressed beyond the elastic limit. This leads to a fatigue fracture after a few thermal cycles.
Ein solcher Ermüdungsbruch wird mit dem erfindungsgemäßen Modulaufbau verhindert, der in Fig. 2 in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel im Querschnitt wiedergegeben ist. Auch hier sind die Halbleiterchips 25, 26 auf die Oberseite eines beidseitig metallisierten (Metallisierungen 23, 24) Kera miksubstrats 22 aufgelötet. Das Keramiksubstrat 22, das vor zugsweise aus einer AlN-Keramik besteht, wird jedoch nicht direkt auf die vorzugsweise aus Cu bestehende Grundplatte 21 aufgelötet, sondern über eine zusätzliche Zwischenplatte 28 mit der Grundplatte 21 verbunden. Die Verbindung erfolgt be vorzugt über zwei Lotschichten 27 und 29 aus einem üblichen Weichlot.Such a fatigue fracture is prevented with the module structure according to the invention, which is shown in cross section in a preferred exemplary embodiment in FIG. 2. Here, too, the semiconductor chips 25 , 26 are soldered onto the upper side of a ceramic substrate 22 that is metallized on both sides (metallizations 23 , 24 ). However, the ceramic substrate 22 , which preferably consists of an AlN ceramic, is not soldered directly onto the base plate 21 , which is preferably made of Cu, but is connected to the base plate 21 via an additional intermediate plate 28 . The connection is preferably made via two solder layers 27 and 29 from a conventional soft solder.
Durch den Einbau der dünnen (Dicke: weniger als 1 mm bis ei nige mm) Zwischenplatte 28 zwischen Grundplatte 21 und Kera miksubstrat 22 wird erstens eine Temperaturspreizung er reicht, da ein zusätzlicher thermischer Widerstand eingebaut wird. Das bedeutet, daß nicht das ganze ΔT, welches im Be trieb auftritt, auf eine einzelne Lotschicht übertragen wird.By installing the thin (thickness: less than 1 mm to egg nige mm) intermediate plate 28 between base plate 21 and ceramic substrate 22 , firstly, a temperature spread is sufficient because an additional thermal resistance is installed. This means that not all of the ΔT that occurs in operation is transferred to a single solder layer.
Wird die Zwischenplatte 28 noch aus einem Kompositmaterial wie z. B. AlSiC oder CuSiC gefertigt, bei dem der thermische Ausdehnungskoeffizient den jeweiligen Erfordernissen ange paßt werden kann (der CTE kann je nach Metallgehalt von Al, Cu und Plattendicke zwischen 7 und 14 ppm/K variiert werden), so kann der thermomechanische Streß an der Lotschicht bzw. den Lotschichten 27, 29 soweit abgebaut werden, daß die er zeugten mechanischen Spannungen im Betriebszustand die physi kalischen Belastungsgrenzen des Lotes nicht übersteigen.If the intermediate plate 28 is still made of a composite material such. B. AlSiC or CuSiC, in which the thermal expansion coefficient can be adapted to the respective requirements (the CTE can be varied between 7 and 14 ppm / K depending on the metal content of Al, Cu and plate thickness), so the thermomechanical stress at the Solder layer or the solder layers 27 , 29 are degraded to such an extent that the generated mechanical stresses in the operating state do not exceed the physical load limits of the solder.
Verwendet man für die Zwischenplatte 28 ein Kompositmaterial (AlSiC) mit einem CTE von ∼ 9 ppm/K, kann das Verhältnis der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 3,80 (Cu/AlN) beim herkömmlichen Aufbau gemäß Fig. 1 beim neuartigen Aufbau ge mäß Fig. 2 auf ungefähr die Hälfte reduziert und auf zwei Lotschichten 27, 29 aufgeteilt werden. An der oberen Lot schicht 27 beträgt das Verhältnis der thermischen Ausdeh nungskoeffizienten dann etwa 2,0 (AlSiC/AlN), und an der un teren Lotschicht etwa 1,9 (Cu/AlSiC).If a composite material (AlSiC) with a CTE of ∼ 9 ppm / K is used for the intermediate plate 28 , the ratio of the thermal expansion coefficients of 3.80 (Cu / AlN) in the conventional construction according to FIG. 1 with the novel construction according to FIG. 2 are reduced to approximately half and divided into two solder layers 27 , 29 . The ratio of the thermal expansion coefficients on the upper solder layer 27 is then approximately 2.0 (AlSiC / AlN), and on the lower solder layer approximately 1.9 (Cu / AlSiC).
Als Parameter für die Einstellung der thermischen und thermo mechanischen Verhältnisse stehen vor allem die Dicke der Zwi schenplatte 28 und der thermische Ausdehnungskoeffizient des für die Zwischenplatte verwendeten Materials zur Verfügung. Es ist aber auch denkbar, mehrere Zwischenplatten mit abge stuftem Ausdehnungskoeffizienten im Stapel zu verwenden, um eine Aufteilung der Belastung auf mehr als zwei Lotschichten zu erreichen.The parameters for the setting of the thermal and thermo-mechanical conditions are, above all, the thickness of the intermediate plate 28 and the thermal expansion coefficient of the material used for the intermediate plate. However, it is also conceivable to use several intermediate plates with a graded expansion coefficient in the stack in order to achieve a distribution of the load over more than two solder layers.
Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung ein Hochleistungs-Halbleitermodul mit hoher Lastwechselfestigkeit und ausge zeichneten thermischen Eigenschaften, welches sich zudem durch einen einfachen Aufbau und nur geringe Änderungen ge genüber herkömmlichen Modulen auszeichnet.Overall, the invention results in a high-performance semiconductor module with high fatigue strength and out distinguished thermal properties, which also by a simple structure and only minor changes distinguished from conventional modules.
10, 2010, 20
Hochleistungs-Halbleitermodul
High performance semiconductor module
11, 2111, 21
Grundplatte (Cu)
Base plate (Cu)
12, 2212, 22
Keramiksubstrat (AlN)
Ceramic substrate (AlN)
13, 1413, 14
Metallisierung
Metallization
15, 1615, 16
Halbleiterchip
Semiconductor chip
17, 2717, 27
Lotschicht
Solder layer
23, 2423, 24
Metallisierung
Metallization
25, 2625, 26
Halbleiterchip
Semiconductor chip
2828
Zwischenplatte
Intermediate plate
2929
Lotschicht
Solder layer
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|---|---|---|---|
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