DE8914493U1

DE8914493U1 - Leistungsbaugruppe

Info

Publication number: DE8914493U1
Application number: DE8914493U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1989-12-08
Filing date: 1989-12-08
Publication date: 1990-05-17
Anticipated expiration: 1999-12-09

Description

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Siemens Aktiengesellschaft

Leistungsbaugruppe &tgr;
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Die Erfindung betrifft eine Leistungsbaugruppe mit einem Leistungsbauelement und einem Kühlkörper zum Abfuhren dar Verlustwärme des Leistungsbauelements.

Eine solche Leistungsbaugruppe nach dem Stand d<*r Technik ist z.B. io der deutschen Offenlegungssehrift 35 23 061 beschrieben. Dabei wird ein Leistungshalbleiterchip durch Lotung auf einem in Fztm einer kopf erschient ausgefüSirtsn Trager befestigt, der seine Vsrlustwärme auf eine größere Flache verteilen soll (Wärmespreizüng). Die Kupferschiiiirt wiederum ist auf einer Isolierschicht aus Keramik angeordnet und mit dieser durch eine intermetallische Verbindung verbunden. Der so gebildete Schichtenverband aus der Kupfer und der Keramikschicht mit dem aufgeloteten Leistungshalbleiter ist schließlich über die Keramikschicht mit einem Wärmeleitkleber auf dem Kühlkörper befestigt.

Die Eigenschaften sowie die Herstellung eines solcher; Schichtenverbandes sind in einer Informationsschrift der Fa&diams; DODUKO GmbH unter der Bezeichnung DC$ Substrat (Direct copper/bonding) beschrieben.

Die Dicke der Keramikschicht muß dabei größer gewählt werden, als es für die elektrische Isolierung notwendig wäre, da sonst die mechanische Festigkeit beim Herstellungsprozeß nicht mehr gegeben ware. Dadurch ist die erzielbare Wärmeleitfähigkeit begrenzt. Außerdem darf die Dicke des Keramikblättchens möglichst *enig variieren, da sich sonst örtliche Temperaturspitzen ergeben, die die Temperaturwechselbeständigkeit verschlechtern.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Leistungsbaugruppe so auszuführen, daß die Wärmeleitfähigkeit verbessert wird und sich gleichzeitig der Herstellungsprozeß vereinfacht.

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Erfindungsgemäße Lösungen sind in den* Ansprüchen 1 und 9 gekennzeichnet.

Gemäß Anspruch 1 besteht die Erfindung darin, die Isolierschicht nicht als vorher gefertigtes Teil auszufuhren, sondern als Beschichtung, die ihre endgültige Form erst während des Beschichtungsvorgangs erhalt. Dadurch ksn-n äie Isolierschicht beliebig dünn und mit einer sehr gleichmäßigen Schichtdicke ausgeführt isexden. Die geringere Schichtdicke verbessert die Wärmeleitung und durch die sehr gleichmäßige Schichtdicke treten keine örtlichen Temperaturspitzen auf.

Eine weitere Verbesserung der Wärmeleitung ergibt sich aus der Tatsache, daß bei der Leistungsbaugruppe gemäß der Erfindung weniger Wärmeübergänge vorhanden sind, da die Beschichtung nur einseitig mit einem Wärmeleitkleber verbunden werden muß. Die Beschichtung kann auf dem Kühlkörper aufgetragen sein und mit dem Träger verklebt werden oder auf dem Träger aufgetragen sein und mit dem Kühlkörper verklebt werden.

Die Beschichtung besteht vorzugsweise aus einem Keramikmaterial, das durch ein beliebiges geeignetes Beschichtungsverfahren aufgetragen wird, wie zum Beispiel durch Plasmaspritzen oder durch Sputtern.

Eine besonders verteilhafte Anwendung der Erfindung ergibt sich bei Leistungshalbleitern, die bereits in einem Gehäuse untergebracht sind, wobei der Gehäuseboden als Träger dient. Derartige Anordnungen mußten bisher vom Kühlkörper durch Zwischenlegen einer wärmeleitenden Isolierfolie oder eines wärmeleitenden Isolierblättchens Isoliert werden. Die Befestigung erfolgte dabei über eine entsprechend aufwendige mechanische Halterung oder durch Kleben, wobei die Isolierschicht beidseitig verklebt werden mußte. Im Falle des Klebens ergäbe.&igr; sich dabei insbesondere bei komplizierten Bäuförmen fertigungstechnische Probleme.

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Bei einer weiteren er'findungsge'fitlißen'Lösung - Anspruch 9 - ist auf der Oberfläche eines Kühlkörpers aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung eine Eloxalschicht als Isolierung vorgesehen. Diese Eloxalschicht wird durch anodische Oxidation des Kühlkörpers erzeugt. Die Isolierschicht wird damit nicht wie bei der erstbeschriebenen Losung nach Anspruch 1 als zusätzliche Beschichtung aufgetragen, sondern durch Oxidation der Aluminiumoberfläche des Kühlkörpers selbst gewonnen.

Zum Erzeugen einer solchen Eloxalschicht wird der gesamte Kühlkörper in einem Säurebad elektrolytisch oxidiert. Die Kosten für dieses Eloxieren entsprechen ungefähr denen, die bei der Beschichtungslösung nach Anspruch 1 für die Beschichtung für ein Leistungsbauelement anfallen. Das Eloxieren hat damit - bei gleichen Kosten - den Vorteil, daß der gesamte Kühlkörper auch gegen Korrosion geschützt ist. Sind mehrere Leistungsbauelemente auf einem Kühlkörper vorgesehen, ergibt sich damit sogar eine Kosteneinsparung.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 eine Anordnung eines Leistungshalbleiters in Chipform auf einem Kühlkörper gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung
Figur 2 eine Anordnung von Leistungshalbleitern die in einem

Gehäuse integriert sind.

Figur 3 eine Anordnung eines Leistungshalbleiters in Chipform auf einem Kühlkörper gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und

Figur 4 eine vergorßeite Darstellung einer Isolierschicht auf dem Kühlkörper.

In Figur 1 ist mit 1 ein Leistungshalbleiter bezeichnet, der über eine Lotschicht L mit einem wärmeleitenden Träger 2 aus Kupfer verbunden ist. Der elektrische Anschluß des Leistungshalbleiters 1 erfolgt über in der Figur 1 angedeutete Bonddrähte auf eine nicht dargestellte Schaltung.

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Der wärmeleitende Träger' 2 ist'mit einem Kühlkörper 4 über eine wärmeleitende Klebschicht K und eine Isolierschicht 3 aus Aluminiumoxid (AL₂O₃ oder andere nicht elektrisch leitende KeralOikarten) mit einem Kühlkörper 4 aus Aluminium verbunden. 5

Die Isolierschicht 3 ist auf dem Kühlkörper durch Plasmaspritzen aufgetragen. Plasmaspritzen ist in der Technik als eine Untergruppe der thermischen Spritzverfahren bekannt und z.B. in der Deutschen Norm DIN 32530 beschrieben. Die Dicke dieser Isolierschicht 3 richtet sich nach dem geforderten elektrischen Isoliervermögen. Beim Einsatz einer solchen Leistungsbaugruppe in einem Zündsteuergerät für Kraftfahrzeuge wird beispielsweise etwa eine Gleichspannungsfestigkeit von einem Kilovolt gefordert, wofür die Schichtdicke der Isolierschicht 3 dann ungefähr 100 Micrometer betragen muß.

Die erfindungsgemäße Leistungsbaugruppe zeichnet sich besonders durch wenige Wärmeübergänge aus. Das relativ schlecht wärmeleitende Keramikmaterial der Isolierschicht 3 kann sehr dünnschichtig eingesetzt werden, da die erforderliche mechanische Festigkeit bei einer Beschichtung auch dann gegeben ist.

Die Figur 2 zeigt die Anordnung von einem oder mehreren Leistungshalbleitern auf einem Kühlkörper 4A, der oder die am Boden eines Gehäuses 5 angebracht sind, wobei dieser Boden als wärmeleitender Träger 2A dient.

Der wärmeleitende Träger 2A ist mit dem Kühlkörper 4A über eine wärmeleitende Klebschicht K und eine Isolierschicht 3A verbunden.

Die Isolierschicht 3A besteht wiederum aus Keramikoxid und ist auf dem Kühlkörper 4A als Beschichtung aufgetragen.

Auch bei dieser Anordnung ist die Montage gegenüber den beim Stand der Technik üblichen Verfahren vereinfacht. Das bisher verwendete Isolierblättchen mußte auf zwei Seiten verklebt wer-

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den, wohingegen bei dem erflndungsgemäßeh Verfahren nur eine Klebschicht notwendig ist.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 3 dargestellt. Die darin gezeigte Leistungsbaugruppe entspricht größtenteils der Leistungsbaugruppe gemäß Figur 1, wobei gleichbleibende Teile mit gleichen Funktionen auch mit den gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 versehen sind.

Im Unterschied zu Figur 1 ist auf dem Kühlkörper 4 als Isolierschicht eine durch anodische Oxidation des Kühlkörpers 4 gebildete Eloxalschicht 3b vorgesehen. Der Kühlkörper 4 ist allseitig von dieser Eloxalschicht 3b umgeben, die damit gleichzeitig als Isolierung und als Schutz dient.

Eine vorteilhafte Weiterbildung 1st in Figur 4 gezeigt. Die beim Oxidationsvorgang von Aluminium entstehende Eloxalschicht 3b hat eine ungleichmäßige Oberfläche, da auch die Oberfläche des normalerweise gespritzten oder gegossenen Kühlkörpers 4 vor dem Eloxieren bereits ungleichmäßig ist. Es entsteht also eine Art Kraterlandschaft statt einer glatten Oberfläche aus Aluminiumoxid. Dieser Effekt tritt verstärkt auf bei der Verwendung von Aluminiumlegierungen, durch in der Oberfläche des Aluminiums eingeschlossene Legierungszusätze, die den Oxidationsvorgang behindern.

Dies ist in Figur 4 vergrößert dargestellt. Die Spannungsfestigkeit der Eloxalschicht 3b ist im Normalfall trotzdem gewährleistet, da Versuche gezeigt haben, daß die verbleibende Dicke der Eloxalschicht 3b zwischen den Kratertälein noch groß genug ist.

Werden jedoch beispielsweise bei Zündsteuergeräten erhöhte Zündspannungen verlangt, so muß auch die Spannungsfestigkeit der Leistungsbaugruppe erhöht werden.

Dies wird dadurch erreicht, daß die Eloxalschicht 3b zusätzlich mit einer Teflonschicht <£ überzogen wird, die gerade so dick

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ist, daß sie die beim Oxidieren entstandenen Krater auffüllt. Die Oberfläche der Eloxalschicht 3d wird so geglättet, C⁴SmIt die isolierende Schicht dicker gemacht und die Spannungsfestigkeit erhöht.

Der besondere Vorteil dabei ist, daß die Teflonschicht 6 besonders billig herzustellen 1st. Die schlechte Wärmeleitfähigkeit von Teflon kommt dabei nicht zum Tragen, da die Teflonschicht sehr dünn ist. Die gesamte Isolierschicht beispielsweise aus

IG Tpflnn auszuführen wäre zwar linctepmäßin sehr günstig_; i?t &bgr;£>^&bgr;?

wecsn der erforderlichen Abfuhr der Verlustwärme des Leistungsbauelements nicht möglich.

Statt Teflon kann auch ein anderer Kunststoff oder ein Lack verwendet werden. Wichtig dabei ist, daß die Schicht möglichst dünn ist, um dpn Wärmeübergang nicht zu verschlechtern.

Claims

Schutzansprüche

1. Leistungsbaugruppe mit einem Leistungsbauelement und einem Kühlkörper (4), wobei das Leistungsbauelement mit einem Träger

(2) aus wärmeleitendem Material und dieser mit dem Kühlkörper (4) wärmeleitend verbunden sind und Kühlkörper (4) und Träger (2) elektrisch voneinander isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, daß als Isolierung eine Beschichtung aus Isoliermaterial auf dem Kühlkörper (4) oder auf dem Träger (2) aufgetragen ist.

2. Leistungsbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Isolierung aus einem Keramikmaterial besteht. 15

3. Leistungsbaugruppe mit einem Leistungsbauelement und einem Kühlkörper (4) aus Aluminium, wobei das Leistungsbauelement mit einem Träger (2) aus wärmeleitendem Material und dieser mit dem Kühlkörper (4) wärmeleitend verbunden sind und Kühlkörper (4) und Träger (2) elektrisch voneinander isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, daß als Isolierung eine Oberflächenschicht aus Eloxal vorgesehen ist.

4. Leistungsbaugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht aus Eloxal mit einem dünnen Lackoder Kunststoffüberzug versehen ist.

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