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DE10162966A1 - Leistungshalbleitermodul - Google Patents

Leistungshalbleitermodul

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Publication number
DE10162966A1
DE10162966A1 DE10162966A DE10162966A DE10162966A1 DE 10162966 A1 DE10162966 A1 DE 10162966A1 DE 10162966 A DE10162966 A DE 10162966A DE 10162966 A DE10162966 A DE 10162966A DE 10162966 A1 DE10162966 A1 DE 10162966A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
metal base
ceramic substrate
ceramic
power semiconductor
semiconductor module
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE10162966A
Other languages
English (en)
Inventor
Takatoshi Kobayashi
Tadashi Miyasaka
Katsumi Yamada
Akira Morozumi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Electric Co Ltd filed Critical Fuji Electric Co Ltd
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Das Leistungshalbleitermodul ist aus einer Schaltungsanordnung gebildet, die eine Metallbasis (1), ein Keramiksubstrat (8) und einen Leistungshalbleiterchip (9) umfaßt, und weist ein Gehäuse mit einstückig gebildeten Anschlüssen auf; das Keramiksubstrat des Moduls ist so aufgebaut, daß eine obere Schaltungsplatte (8b) und eine untere Platte (8c) mit der Oberseite bzw. der Unterseite einer Keramikplatte (8a) verbunden sind, und die Metallbasis und das Keramiksubstrat sind unter Verwendung von Lötmittel aneinander befestigt. Die Metallbasis des Moduls ist aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einer Wärmeleitfähigkeit von 250 W/mÈK oder größer hergestellt und weist eine Plattendicke von 3,9 bis 6 mm auf. Das Keramiksubstrat weist eine Keramikplatte (8a) mit einer Dicke von 0,1 bis 0,65 mm sowie die obere Schaltungsplatte (8b) und die untere Platte (8c) mit jeweils einer Dicke von 0,1 bis 0,5 mm auf, wobei die Gedamtgröße des Keramiksubstrats höchstens 51 mm x 50 mm, vorzugsweise höchstens 50 mm x 50 mm, beträgt und das Verhältnis von dessen Länge zu dessen Breite auf einen Bereich von 1 : 1 bis 1 : 1,2 eingestellt ist. Unter Verwendung von Lötmittel ist eine Verbindung zwischen der Metallbasis und dem Keramiksubstrat gebildet, wobei das eingesetzte Lötmittel einen Schmelzpunkt zwischen 183 und 250 DEG C aufweist und die Dicke der Lötmittelverbindungsschicht 0,1 bis 0,3 mm beträgt. Durch die Optimierung des Materials des Keramiksubstrats und dessen Metallbasis sowie deren ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul, das beispielsweise bei einem Stromrichter oder einem Wechselrichter einer Leistungsschaltvorrichtung eingesetzt werden kann.
Zunächst wird der Aufbau eines herkömmlichen Beispiels eines derartigen Leistungshalbleitermoduls (bei dem sechs Schaltelemente drei Halbbrücken bilden) unter Bezugnahme auf Fig. 9 beschrieben. In den Figuren bezeichnet 1 eine Metallbasis (Kupferbasisplatte) für die Wärmeabstrahlung, die ein Kühlkörper ist, 2 bezeichnet ein Außengehäuse mit einstückig gebildeten Anschlüssen, 3 bezeichnet einen in diesem Außengehäuse 2 vorgesehenen Hauptschaltungsanschluß, 4 einen Steueranschluß, 5 einen Leistungsschaltungsblock, 6 einen Steuerschaltungsblock, und 7 bezeichnet Verbindungsdrähte, welche eine interne Verdrahtung bilden.
Hier weist der Leistungsschaltungsblock 5 sechs Leistungshalbleiterchips 9 und sechs Freilaufdioden 10 auf, die auf einem Keramiksubstrat 8 montiert sind, das die Form eines Rechtecks bzw. eines Quaders mit rechteckigem Querschnitt aufweist. Die Leistungshalbleiterchips 9 sind beispielsweise IGBTs. Wie die schematische Darstellung von Fig. 4 zeigt, ist das Keramiksubstrat 8 ein Kupfersubstrat mit direkter Kupferverbindung (Direct Copper Bonding substrate), bei dem eine obere Schaltungsschicht bzw. -platte 8b und eine untere Platte 8c, die mit Kupferfolie kaschiert oder als Kupferfolie aufgebracht sind, direkt mit der Oberseite bzw. der Unterseite einer aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Siliciumnitrid hergestellten Keramikplatte 8a verbunden sind und ein Halbleitermuster bzw. eine Halbleiteranordnung auf der oberen Schaltungsplatte 8b gebildet ist; die Halbleiterchips 9 sind unter Verwendung von Lötmittel (diese Lötmittelverbindungsschicht ist mit "11" bezeichnet) an der oberen Schaltungsplatte 8b befestigt. Eine Steuerschaltung 6 ist so gebildet, daß Treiber-ICs 6b zum Treiben von Leistungsschaltungselementen und diesen Treiber-ICs zugeordnete Schaltungskomponenten auf einem U-förmigen bedruckten Substrat 6a befestigt sind, das den Leistungsschaltungsblock 5 umgibt.
Der Leistungsschaltungsblock 5 und der Steuerschaltungsblock 6 werden nebeneinander auf einer Metallbasis 1 angeordnet. Danach werden die untere Platte 8c des Keramiksubstrats 8 des Leistungsschaltungsblocks 5 und die Metallbasis 1 unter Verwendung von Sn-Pb-Lötmittel (dieses Lötmittel ist mit "12" bezeichnet) miteinander verbunden, um dadurch von den Leistungshalbleiter­ chips 9 erzeugte Wärme über das Keramiksubstrat 8 an die Metallbasis 1 zu übertragen. Außerdem wird das bedruckte Substrat 6a des Steuerschaltungsblocks 6 unter Verwendung eines Klebstoffs an der Metallbasis 1 befestigt.
Das Außengehäuse 2 mit den einstückig gebildeten Anschlüssen wird unter Verwendung von Klebstoff mit der Metallbasis 1 verbunden, indem das Außengehäuse über dem Leistungsschal­ tungsblock 5 und dem auf der Metallbasis 1 befestigten Steuerschaltungsblock 6 so angeordnet wird, daß es diese Blöcke umgibt, und in diesem Zustand werden die Innenzuleitungsabschnitte 3a der Hauptschaltungsanschlüsse 3 mit dem gedruckten Muster des Keramiksubstrats 8 verlötet, und die Steueranschlüsse 4 werden als Ergebnis des Verbindens der Drähte 7 mit dem Druckmuster des bedruckten Substrats 6 zu einer internen Verdrahtung. Dann wird nach dem Einfüllen eines gelartigen Füllmaterials (beispielsweise Silikongel) in das Außengehäuse 2 zum Abdichten der Schaltungsblöcke unter Verwendung von Harz das Außengehäuse mit einem Deckel (nicht gezeigt) abgedeckt, um dadurch das Leistungshalbleitermodul fertigzustellen.
Leistungshalbleitermodule wie die vorgenannten werden in verschiedenen Bereichen extensiv eingesetzt, von Vorrichtungen für niedrige Last oder Anforderungen für den täglichen Gebrauch bis zu Vorrichtungen für hohe Last oder Anforderungen, die beispielsweise industriell oder in Fahrzeu­ gen verwendet werden. In solchen Fällen können Module für niedrige Last oder Anforderungen für den täglichen Gebrauch, bei denen das erforderliche Maß an Zuverlässigkeit nicht besonders hoch ist und bei denen die durch Leistungshalbleiterelemente erzeugte Wärmemenge begrenzt ist, praktisch ohne Beschränkungen hinsichtlich des Materials und der Größe jeder der Komponenten entworfen und hergestellt werden. Andererseits besteht dort, wo Module für hohe Last oder Anforderungen betroffen sind, die in Leistungsschaltungen von Fahrzeugantriebsvorrichtungen in Autos verwendet werden, da gerade hier manchmal eine erhöhte Menge an Wärme vorhanden ist, die pro Flächeneinheit eines Leistungschips erzeugt wird, wenn die Chips kleiner und kompakter werden, ebenfalls das Erfordernis hoher Zuverlässigkeit und Langlebigkeit im Vergleich zu Produk­ ten, die für den täglichen Gebrauch hergestellt werden.
Beispielsweise ist hinsichtlich eines Wärmewechselzyklustests, dem hergestellte Leistungsmodule unterzogen werden (Bedingungen für einen Wärmewechselzyklus: -40°C (60 Minuten), gefolgt von Raumtemperatur (30 Minuten), gefolgt von 125°C (60 Minuten), gefolgt von Raumtemperatur (30 Minuten)), die Zuverlässigkeit, die für zur Verwendung in Autos hergestellten Produkte erforderlich ist, derart bestimmt, daß solche Produkte 3000 Zyklen eines derartigen Wärmewechselzyklustests ausreichend widerstehen müssen, während gewöhnliche Vielzweckprodukte einem Test von etwa 100 Zyklen unterzogen werden.
Das Erfüllen dieser Anforderungen hoher Zuverlässigkeit und von Langlebigkeit bedeutet natürlich die Verbesserung der Zuverlässigkeit der Leistungshalbleiterchips selbst. Jedoch stellen auch das Sicherstellen einer Beständigkeit, womit den hohen Niveaus an Wärmestrahlung ausreichend widerstanden werden kann, und die starken Wärmewechselzyklen im Verlauf der Bewegung des Fahrzeugs unter gleichzeitiger Sicherstellung des erforderlichen elektrischen Isolationswiderstands ein drängendes Problem dar.
Bei einem Aufbau, bei dem ein an einer Metallbasis 1 montiertes Keramiksubstrat 8 mittels Lötmittel an ihr befestigt ist, wie in Fig. 4 gezeigt, gehen mit dem obigen Problem die nachstehend erläuterten Probleme einher.
(1) Thermische Spannungen, die dem Unterschied der Wärmeausdehnung des Keramiksubstrats und der Metallbasis zugeordnet werden können
Während die Wärmeausdehnung des Keramiksubstrats 7 ppm/K für Aluminiumoxid, 4,5 ppm/K für Aluminiumnitrid und 3 ppm/K für Siliciumnitrid ist, ist die Wärmeausdehnung der Metallbasis (Kupferbasis) 16,5 ppm/K, was einen großen Unterschied zwischen der Wärmeausdehnung des Keramiksubstrats und der Metallbasis darstellt.
Die Streck- bzw. Dehnungsgrenze des Lötmittels (Sn-Pb-Lötmittel), das die Verbindung zwischen der Metallbasis und dem Keramiksubstrat bildet, ist niedrig mit etwa 35 bis 40 MPa, und wenn sich die Spannungen an dem Lötmittelverbindungsabschnitt mit wiederholten aufeinanderfolgenden Wärmewechselzyklen aufgrund des Unterschieds zwischen der Wärmeausdehnung der Metallbasis und des Keramiksubstrats erhöhen, ermüdet (burns out) dieses Lötmittel schließlich.
Hinsichtlich der Lebensdauer des Lötmittels bis zum Ermüden wurde herausgefunden, nachdem die Erfinder verschiedene Tests dieser Lebensdauer zusätzlich zu einer entsprechenden Analyse ausgeführt hatten, daß die Tendenz besteht, daß diese Lebensdauer stark von den nachstehenden Bedingungen abhängt. In anderen Worten, wenn das Keramikmaterial des Keramiksubstrats, das auf die Metallbasis gelötet ist, als gleich angenommen wird, gilt:
  • a) Eine Zunahme der Plattendicke des Keramiksubstrats führt zu einer Zunahme der im Lötmittel­ verbindungsabschnitt erzeugten Spannungen, und die Lebensdauer bis zum Ermüden wird kurz (Abhängigkeit von der Dicke des Substrats).
  • b) Eine Zunahme der Fläche des Keramiksubstrats führt zu einer Zunahme der im Lötmittelverbin­ dungsabschnitt erzeugten Spannungen, und die Lebensdauer bis zum Ermüden wird kurz (Abhän­ gigkeit von der Fläche des Substrats).
  • c) Eine Zunahme des Verhältnisses der Länge des Keramiksubstrats zu dessen Breite führt zu einer Zunahme der im Lötmittelverbindungsabschnitt erzeugten Spannungen, und die Lebensdauer bis zum Ermüden wird kurz (Abhängigkeit von der Form des Substrats).
  • d) Eine Abnahme der Dicke des die Lötmittelverbindungsschicht bildenden Lötmittels führt zu einer Zunahme der erzeugten Spannungen, und die Lebensdauer bis zum Ermüden wird kurz (Abhängig­ keit von der Dicke des Lötmittels).
(2) Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Keramiksubstrat und der Metallbasis
Die von dem Leistungshalbleiterchip erzeugte Wärme wird über das Keramiksubstrat thermisch zur Metallbasis geleitet, die als Kühlkörper dient, und von der Metallbasis nach außen abgestrahlt. Demzufolge ist es erforderlich, den Widerstand gegen die Wärmeleitung zwischen dem Keramiksub­ strat und der Metallbasis so niedrig wie möglich zu halten. Das bedeutet:
  • a) Während die Wärmeleitfähigkeit des Keramiksubstrats 20 W/m.K für Aluminiumoxid, 180 bis 200 W/m.K für Aluminiumnitrid und 70 bis 100 W/m.K für Siliciumnitrid ist und die Wärmeleitfähig­ keit der Kupferbasis 398 W/m.K ist, ist die Wärmeleitfähigkeit des Lötmittels (Sn-Pb-Lötmittel), das eine Verbindung zwischen der Metallbasis und dem Keramiksubstrat bildet, 40 bis 50 W/m.K. Als Folge hat der Wärmewiderstand des Lötmittelverbindungsabschnitts einen starken Einfluß auf die Wärmeleitfähigkeit in dem Wärmeleitungsweg zwischen dem Leistungshalbleiterchip und der Metallbasis.
  • b) Beim Löten des Keramiksubstrats auf die Metallbasis bilden, wenn Hohlräume (Luftblasen) in der Lötmittelverbindungsschicht gebildet werden, diese Hohlräume einen Wärmewiderstand und behindern daher die Abstrahlung von Wärme.
Daher führt eine Zunahme der Dicke der Lötmittelschicht der Lötmittelverbindungsschicht zu einer niedrigeren Wärmeabstrahlung, was einen nachteiligen Effekt auf die Zuverlässigkeit und die Beständigkeit des Moduls hat.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungshalbleitermodul zu schaffen, bei dem das Material des Keramiksubstrats und der Metallbasis, deren Abmessungen, das Material zum Verbinden des Keramiksubstrats und der Metallbasis sowie das Verbindungsverfahren auf der Basis einer Analyse der Ergebnisse der vorgenannten Tests optimiert sind und bei dem die thermi­ schen Spannungen, die zwischen dem Keramiksubstrat und der Metallbasis bei aufeinanderfolgen­ den Wärmewechselzyklen erzeugt werden, gemindert werden und die Wärmeleitfähigkeit verbessert wird, wodurch es möglich wird, eine hohe Zuverlässigkeit und eine hohe Lebensdauer sicherzustel­ len, die beim Einsatz in Fahrzeugen erforderlich sind.
Diese Aufgaben werden mit einem Leistungshalbleitermodul gemäß Anspruch 1, 5, 8, 9 bzw. 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei der Ausführungsform gemäß Anspruch 1 kann das Keramiksubstrat durch eine Auswahl der Materialien gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4 gebildet werden.
Wie oben beschrieben, ist es durch die Wahl des Materials des Keramiksubstrats und der Metallba­ sis, deren Abmessungen, des Lötmittels zum Verbinden des Keramiksubstrats und der Metallbasis sowie der Dicke der Lötmittelschicht unter Beibehaltung des erforderlichen Isolierwiderstands möglich, eine Reduzierung der thermischen Spannungen sicherzustellen, die zwischen dem Keramiksubstrat und der Metallbasis bei aufeinanderfolgenden Wärmewechselzyklen während des Betriebs des Leistungshalbleitermoduls erzeugt werden, und dadurch eine hohe Wärmeleitfähigkeit sicherzustellen.
Des weiteren wurde in der vorliegenden Erfindung eine von der vorstehenden Anordnung verschie­ dene Ausgestaltung beschrieben, bei der durch das Weglassen der unteren Platte des Keramiksub­ strats die Wärmeleitfähigkeit durch einstückiges Verbinden des Keramiksubstrats und der Metallba­ sis ohne Verwendung von Lötmittel nach Maßgabe des Anspruchs 5 erhöht ist. Wie beschrieben, wird durch Aufspritzen einer Keramikschicht und einer Kupferschicht auf die Metallbasis zur Bildung eines Keramiksubstrats, da sich zwischen der Metallbasis und dem Keramiksubstrat nichts wie bei­ spielsweise ein Lötmittel befindet, der Wärmewiderstand um ein diesem Lötmittel oder ähnlichem zuzuordnendes Maß reduziert, und die Wärmeabstrahlung wird dadurch verbessert. Außerdem werden, da keine Lötmittelverbindung eingesetzt wird, der Lötprozeß und das Lötmaterial wegge­ lassen, und die Probleme einer Erhöhung des Wärmewiderstands, die Löchern in der Lötmittel­ schicht zuzuschreiben sind, und des Ermüdens der Lötmittelverbindungsschicht als Folge von thermischen Spannungen in ihr werden ebenfalls gelöst.
Bei dem Gießverfahren, mit dem das Leistungshalbleitermodul gemäß Anspruch 8 hergestellt wird, wird die Unterseite des Keramiksubstrats in eine Gießform gebracht, die voll geschmolzenen Metalls ist, das zum Material der Metallbasis wird, so daß die Unterseite des Keramiksubstrats in dieses geschmolzene Metall eingetaucht wird, damit die Metallbasis so gegossen wird, daß sie einstückig mit dem Keramiksubstrat ist. Die resultierende Anordnung, die aus der Metallbasis und dem Keramiksubstrat gebildet ist, erfordert kein Zusammenlöten der Metallbasis und des Keramiksub­ strats und erzielt Ergebnisse wie jene eines Leistungshalbleitermoduls gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7. Außerdem besteht hinsichtlich der Metallbasis, die unter Verwendung dieses Gießverfah­ rens einstückig an das Keramiksubstrat angeformt ist, keine Anisotropie in der Struktur des Metalls, wobei diese Anisotropie aus der Erzeugung von Restspannungen im Verlauf der Bearbeitung wie der für eine hergestellte Metallbasis stammt, bei deren Bildung Rohmaterial gerollt bzw. gewalzt wird und dann einer Preßbehandlung unterzogen wird; die Struktur des Metalls ist dagegen isotrop, und es werden praktisch keine Spannungen erzeugt. Demzufolge kann das Verziehen der Metallbasis bei nachfolgenden Wärmewechselzyklen unterdrückt werden.
Des weiteren ist es als Anwendungsbeispiel des Vorstehenden möglich, das Leistungshalbleitermo­ dul gemäß Anspruch 9 auszubilden.
Es ist jedoch auch eine Ausbildung des Leistungshalbleitermoduls gemäß Anspruch 10 denkbar. In anderen Worten ist die Wärmeleitfähigkeit des Silberwachsmaterials gleich 300 W/m.K oder größer, was mindestens sechsmal größer als die Wärmeleitfähigkeit von 40 bis 50 W/m.K von Sn-Pb- Lötmittel ist. Daher ist zusätzlich zum Erzielen einer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit (Wärmedis­ sipation) zwischen dem Keramiksubstrat und der Metallplatte eine längere Produktlebensdauer aufgrund einer höheren Streck- bzw. Dehngrenze sowie eine erhöhte Beständigkeit hinsichtlich des Ermüdens erzielbar.
Weitere Vorteile, Merkmale und Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Anordnung aus einer Metallbasis, einem Keramiksubstrat und einem Leistungshalbleiterchip, die sich auf eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht, wobei Fig. 1(a) eine Seitenansicht der Anordnung und Fig. 1(b) eine Draufsicht des Keramiksubstrats ist;
Fig. 2 zeigt schematisch eine Anordnung aus einer Metallbasis, einem Keramiksubstrat und einem Leistungshalbleiterchip gemäß einer zweiten und einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 zeigt schematisch eine Anordnung aus einer Metallbasis, einem Keramiksubstrat und einem Leistungshalbleiterchip gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 zeigt schematisch eine Anordnung aus einer Metallbasis, einem Keramiksubstrat und einem Leistungshalbleiterchip in einem herkömmlichen Leistungshalbleitermodul;
Fig. 5 zeigt den Aufbau eines hergestellten erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls mit einem Keramiksubstrat, wobei Fig. 5(a) eine Draufsicht ist und Fig. 5(b) eine Draufsicht auf die Schaltungsanordnung mit entferntem Außengehäuse ist;
Fig. 6 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäß hergestellten Leistungshalbleitermoduls mit zwei Keramiksubstraten, wobei Fig. 6(a) eine perspektivische Ansicht in Explosionsdarstellung ist und Fig. 6(b) eine Seitenansicht der Schaltungsanordnung mit entferntem Außenge­ häuse ist;
Fig. 7 zeigt den Aufbau der Schaltungsanordnung in dem Leistungshalbleitermodul von Fig. 6, wobei Fig. 7(a) eine Draufsicht ist und Fig. 7(b) eine Seitenansicht ist;
Fig. 8 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäß hergestellten Leistungshalbleitermoduls mit sechs Keramiksubstraten, wobei Fig. 8(a) eine Draufsicht ist und Fig. 8(b) eine von der Seite gesehene Querschnittsansicht ist; und
Fig. 9 zeigt den Aufbau eines herkömmlichen Beispiels eines Leistungshalbleitermoduls, wobei Fig. 9(a) eine perspektivische Ansicht in Explosionsdarstellung ist und Fig. 9(b) eine per­ spektivische Ansicht des Leistungshalbleitermoduls in zusammengebautem Zustand von außen ist.
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die Figuren beschrieben. Die Beschreibung von Elementen, die bereits in den Fig. 4 und 9 beschrieben wurden und die in den einzelnen Ausführungsformen mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, wird weggelassen.
Erste Ausführungsform
Fig. 1 ist eine Figur zur schematischen Darstellung eines zusammengebauten Aufbaus einer Anspruch 1 entsprechenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der sich aus einer Metallbasis, einem Keramiksubstrat und einem Leistungshalbleiterchip zusammensetzt; der Aufbau des Keramiksubstrats 8 ist so, daß eine obere Schaltungsschicht bzw. -platte 8b und eine untere Platte 8c mit der oberen Fläche bzw. der unteren Fläche einer Keramikplatte 8a verbunden sind; unter Verwendung von Lötmittel ist eine Verbindung zwischen der Metallbasis 1 und der unteren Platte 8c des Keramiksubstrats 8 hergestellt.
Das Material der Metallbasis 1 ist hier Kupfer oder eine Kupferlegierung, die eine Wärmeleitfähigkeit von 250 W/m.K oder mehr aufweist, wobei die Plattendicke t1 dieser Metallbasis 3,9 mm bis 6 mm beträgt; die Dicke t2 der Keramikplatte 8a des Keramiksubstrats 8 beträgt 0,1 mm bis 0,65 mm, die Dicke der oberen Schaltungsplatte 8b und der unteren Platte 8c beträgt 0,1 mm bis 0,5 mm, die Gesamtgröße (A x B) des Keramiksubstrats 8 wird auf höchstens 51 mm × 50 mm, vorzugsweise höchstens 50 mm × 50 mm, eingestellt, und das Verhältnis von dessen Länge zu dessen Breite wird auf einen Bereich von 1 : 1 bis 1 : 1,2 eingestellt. Die Metallbasis 1 und das Keramiksubstrat 8 sind durch Bitdung einer Verbindung unter Verwendung von Lötmittel zusammengebaut, wobei das eingesetzte Lötmittel Sn-Pb-Lötmittel mit einem Schmelzpunkt von 183 bis 250°C ist und die Dicke der Lötmittelverbindungsschicht 12 0,1 bis 0,3 mm beträgt.
Das Keramiksubstrat 8 kann durch eine Kombination von Materialien gemäß nachstehender ausführlicher Beschreibung aufgebaut sein. In anderen Worten gibt es beispielsweise folgende Möglichkeiten:
  • 1. Das Material der Keramikplatte 8a ist Aluminiumnitrid, und das Material der oberen Schaltungs­ platte 8b und der unteren Platte 8c, die mit der Oberseite bzw. der Unterseite der Keramikplatte 8a verbunden sind, ist Aluminium;
  • 2. Das Material der Keramikplatte 8a ist Siliciumnitrid, und das Material der oberen Schaltungs­ platte 8b und der unteren Platte 8c ist Kupfer;
  • 3. Das Material der Keramikplatte 8a ist Aluminiumoxid, und das Material der oberen Schaltungs­ platte 8b und der unteren Platte 8c ist Kupfer.
Ein in den Fig. 5 bis 8 beispielhaft dargestelltes Leistungshalbleitermodul ist unter den Bedingungen der Optimierung für das Material der Metallbasis 1 und des Keramiksubstrats 8, deren Größe sowie des Materials und der Dicke des Lötmittels aufgebaut, wie oben beschrieben. In beispielhafter Weise zeigen Fig. 5(a) und Fig. 5(b) Beispiele hergestellter Produkte, bei denen ein Leistungsschal­ tungsblock 5 aus einem auf einer Metallbasis 1 befestigten Keramiksubstrat 8 gebildet ist, wobei die Metallbasis 1 aus einer Kupferlegierung hergestellt ist und eine Plattendicke von 4 mm sowie eine Gesamtgröße mit einer Länge von 86 mm und einer Breite von 107 mm aufweist. Die Kera­ mikplatte des Keramiksubstrats 8 hingegen ist eine Aluminiumoxidplatte mit einer Plattendicke von 0,32 mm und einer Gesamtgröße mit einer Länge von 51 mm und einer Breite von 50 mm, wobei das Verhältnis der Länge zur Breite 1 : 1,02 ist. Des weiteren ist zwischen der Metallbasis 1 und dem Keramiksubstrat 8 eine Verbindung unter Verwendung von Sn-Pb-Lötmittel gebildet, wobei die Dicke der Lötmittelverbindungsschicht 0,15 mm beträgt.
Bei dem in Fig. 6 und Fig. 7 gezeigten Beispiel eines hergestellten Produkts ist der Leistungsschal­ tungsblock 5 auf zwei Keramiksubstrate 8 aufgeteilt, die nebeneinander auf der Metallbasis 1 angeordnet sind, wobei die Metallbasis 1 aus einer Kupferlegierung hergestellt ist und eine Platten­ dicke von 4 mm sowie eine Gesamtgröße mit einer Länge von 68 mm und einer Breite von 98 mm aufweist. Die Keramikplatten der Keramiksubstrate dagegen sind Aluminiumoxidplatten mit einer Dicke von 0,25 mm, und die Gesamtgröße der Keramikplatte des links bzw. oben angeordneten Substrats ist: Länge 38 mm, Breite 33 mm; die Gesamtgröße der Keramikplatte des rechts bzw. unten angeordneten Substrats ist: Länge 38 mm, Breite 39 mm, wobei das Verhältnis der Länge zur Breite dieser Platten 1 : 1,15 bzw. 1 : 1,02 ist. Unter Verwendung von Sn-Pb-Lötmittel ist eine Verbindung zwischen der Metallbasis 1 und den links bzw. rechts angeordneten Keramiksubstraten 8 gebildet, wobei die Dicke der Lötmittelverbindungsschicht 0,15 mm beträgt.
Bei dem in Fig. 8 gezeigten Beispiel eines hergestellten Produkts ist der Leistungsschaltungsblock 5 auf sechs Keramiksubstrate 8 aufgeteilt, die nebeneinander auf der Metallbasis 1 angeordnet sind, wobei die Metallbasis 1 aus einer Kupferlegierung mit einer Plattendicke von 4 mm hergestellt ist und eine Gesamtgröße mit einer Länge von 122 mm und einer Breite von 162 mm aufweist. Die Keramikplatte jedes dieser Keramiksubstrate 8 dagegen ist eine Aluminiumoxidplatte mit einer Dicke von 0,32 mm sowie einer Gesamtgröße mit einer Länge von 38 mm und einer Breite von 41,9 mm, wobei das Verhältnis der Länge zur Breite dieser Platte 1 : 1, 1 ist. Unter Verwendung von Sn-Pb- Lötmittel ist eine Verbindung zwischen der Metallbasis 1 und jedem der Keramiksubstrate 8 gebildet, wobei die Dicke der Lötmittelverbindungsschicht 0,15 mm beträgt.
Zweite Ausführungsform
Eine Anspruch 5 entsprechende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezug auf Fig. 2 beschrieben. Bei dieser Ausführungsform ist das Keramiksubstrat 8 ohne Verwendung von Lötmittel bei der Bildung einer Verbindung zwischen der Metallbasis 1 und dem Keramiksubstrat 8 unter Einsatz des nachstehend beschriebenen Verfahrens direkt einstückig an der Metallbasis 1 angeformt.
In anderen Worten wird durch Spritzen eines Keramikmaterials wie beispielsweise Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Siliciumnitrid auf die Oberfläche der Metallbasis 1 (eine Seitenfläche von ihr) mittels eines Plasmaspritzverfahrens eine Keramikschicht, die der Keramikplatte 8a entspricht und eine Dicke von 0,1 bis 0,65 mm aufweist, so gebildet, daß sie die Oberfläche der Metallbasis 1 bedeckt und an ihr haftet. Als nächstes wird Kupfer unter Verwendung des gleichen Spritzverfah­ rens auf diese Keramikschicht aufgespritzt, wodurch eine Kupferschicht, die der oberen Schal­ tungsplatte 8b entspricht und eine Dicke von 0,1 bis 0,5 mm aufweist, als Laminatschicht darauf gebildet wird. Außerdem können Kupfer, Aluminium oder Molybdän oder eine Kombination aus diesen Stoffen für die Metallbasis 1 verwendet werden.
Die vorgenannte Keramikschicht und die Kupferschicht, die auf der Metallbasis unter Verwendung eines Spritzverfahrens gebildet werden, sind die Keramikplatte 8a des Keramiksubstrats 8 bzw. die obere Schaltungsplatte 8b, und es wird beispielsweise ein Leistungshalbleiterchip 9 unter Verwen­ dung von Lötmittel auf dieser oberen Schaltungsplatte 8b montiert. Es ist auch möglich, eine Bonding- bzw. Anschlußfläche durch Spritzen einer Aluminiumoxidschicht auf die Kupferschicht zu bilden.
Durch einen derartigen Aufbau wird, da keine Lötmittelschicht in Zwischenlage zwischen der Metallbasis 1 und dem Keramiksubstrat 8 angeordnet ist, der Wärmewiderstand um ein diesem Lötmittel oder dergleichen entsprechendes Maß vermindert, und die Wärmeabstrahlung wird dadurch verbessert. Außerdem werden, da keine Lötmittelverbindung verwendet wird, der Lötpro­ zeß und das Lötmaterial vermieden, und die Probleme einer Erhöhung des Wärmewiderstands, der Hohlräume bzw. Blasen in der Lötmittelschicht zuzuordnen ist, und des Ermüdens der Lötmittelver­ bindungsschicht als Folge der thermischen Spannungen in ihr werden ebenfalls gelöst.
Die Keramikschicht, die auf die Metallbasis 1 gespritzt wird, ist nicht auf eine besondere Art an Keramikmaterial beschränkt; zum einen kann beispielsweise Aluminiumoxid auf die Metallbasis 1 gespritzt werden, und es können auch Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid oder ein anderes isolierendes Material auf die resultierende Metallbasis 1 gespritzt werden, um so Laminatschichten zu bilden.
Dritte Ausführungsform
Als nächstes wird unter Bezug auf Fig. 2 eine Anspruch 8 entsprechende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Bei dieser Ausführungsform weist ein Keramiksubstrat 8, das keine untere Platte aufweist und bei dem eine unter Verwendung von Kupferfolie oder ähnlichem hergestellte obere Schaltungsplatte 8b bereits mit der Oberfläche der Keramikplatte 8a verbunden worden ist, eine unter Verwendung eines Gießverfahrens einstückig an der Unterseite der Keramik­ platte 8a angeformte Metallbasis 1 auf, die aus Aluminium (Schmelzpunkt: 500 bis 700°C) hergestellt ist, dessen Schmelzpunkt niedriger als derjenige von Kupfer (Schmelzpunkt: 1085°C) ist.
Bei diesem Gießverfahren wird die Unterseite der Keramikplatte 8a des Keramiksubstrats 8 in eine Gießform eingeführt, die voll mit dem geschmolzenen Metall ist, das zum Material der Metallbasis werden soll, so daß die Unterseite dieser Keramikplatte in dieses geschmolzene Metall eingetaucht wird, und die Metallbasis 1 wird nur unter diesen Bedingungen gegossen. Somit wird eine Metallba­ sis 1 gebildet, die einstückig mit dem Keramiksubstrat 8 verbunden ist.
Bei dieser Ausführungsform werden, ähnlich wie bei der oben beschriebenen zweiten Ausführungs­ form, da keine Lötmittelschicht in Zwischenlage zwischen der Metallbasis 1 und dem Keramiksub­ strat 8 angeordnet ist, auch die Probleme der Erhöhung des Wärmewiderstands und des Ermüdens der Lötmittelverbindungsschicht als Folge von thermischen Spannungen in ihr gelöst.
Als Anwendungsbeispiel dieser Ausführungsform, bei der ein Gießverfahren eingesetzt wird, ist es möglich, geschmolzenes Metall zu verwenden, um eine obere Schaltungsplatte 8b und eine Metallbasis 1 auf der oberen Seitenfläche bzw. der unteren Seitenfläche der Keramikplatte 8a einstückig auszubilden (Anspruch 9).
Vierte Ausführungsform
Als nächstes wird unter Verwendung von Fig. 3 eine Anspruch 10 entsprechende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Bei dieser Ausführungsform werden eine Metallbasis 1 und ein Keramiksubstrat 8, das keine untere Platte aufweist und bei dem eine obere Schaltungsplatte 8b bereits mit einer Keramikplatte 8a verbunden worden ist, unter Verwendung von Silberwachs 13 miteinander verbunden. Dieser Befestigungsvorgang unter Verwendung von Wachs beinhaltet das Einbringen von Silberwachs in Form einer Folie oder einer Paste zwischen die Metallbasis 1 und die Keramikplatte 8a des Keramiksubstrats 8 und das anschließende Einführen der resultierenden Anordnung in einen Schmelzofen, um diese Befestigung unter Verwendung von Wachs zu bewir­ ken.
Bei diesem Aufbau ist die Wärmeleitfähigkeit des Silberwachsmaterials gleich 500 W/m.K oder größer, was mindestens sechsmal höher als die Wärmeleitfähigkeit von 40 bis 50 W/m.K von Sn- Pb-Lötmittel ist. Daher ist zusätzlich zur Erzielbarkeit einer hohen Wärmedissipation im Vergleich zu dem in Fig. 4 gezeigten herkömmlichen Aufbau die Streck- bzw. Dehngrenze im Vergleich zu derjenigen von Lötmittel hoch, und es wird auch die Zuverlässigkeit hinsichtlich des Ermüdens verbessert.
Außerdem können die zweite bis vierte Ausführungsform ähnlich wie die erste Ausführungsform bei jedem der in den Fig. 5 bis 8 gezeigten unterschiedlichen Arten hergestellter Leistungshalbleitermo­ dule eingesetzt werden.
Wie oben beschrieben, bewirkt die vorliegende Erfindung folgendes.
  • 1. Durch den Aufbau nach Anspruch 1 wird folgendes optimal eingestellt: das Material des Keramiksubstrats, auf dem ein Leistungshalbleiterchip montiert ist, und der Metallbasis zum Abstrahlen von Wärme, die ein Kühlkörper ist; deren Abmessungen; das Lötmittelmaterial, welches das Keramiksubstrat und die Metallbasis verbindet; und die Dicke der Lötmittelschicht. Dieser Aufbau ermöglicht es, eine sehr gute Wärmeabstrahlung zu erzielen und die thermischen Spannun­ gen zu reduzieren, die zwischen dem Keramiksubstrat und der Metallbasis bei aufeinanderfolgenden Wärmewechselzyklen während des Betriebs des Leistungshalbleitermoduls erzeugt werden, wobei gleichzeitig der erforderliche Isolationswiderstand gewährleistet ist. Somit ist es möglich, ein Leistungshalbleitermodul zu schaffen, das die Bedingungen der hohen Zuverlässigkeit und Langle­ bigkeit erfüllt, die beispielsweise für den Einsatz in Fahrzeugen erforderlich sind.
  • 2. Durch den Aufbau nach den Ansprüchen 5 bis 9, bei dem kein Lötmittel bei der Verbindung der Metallbasis und des Keramiksubstrats eingesetzt wird und die untere Platte des Keramiksubstrats weggelassen ist, so daß eine direkte Verbindung mit der Metallbasis hergestellt wird, wird der Wärmewiderstand, da zwischen der Metallbasis und dem Keramiksubstrat nichts zwischengelegt ist wie beispielsweise Lötmittel, um ein diesem Lötmittel oder ähnlichem entsprechendes Maß reduziert, und die Wärmeabstrahlung wird dadurch verbessert. Außerdem werden, da keine Lötmittelverbindung eingesetzt wird, der Lötprozeß und das Lötmaterial weggelassen, und auch die Probleme einer Hohlräumen in der Lötmittelschicht zuzuschreibenden Zunahme des Wärmewider­ stands und des Ermüdens der Lötmittelverbindungsschicht als Folge von thermischen Spannungen in ihr werden gelöst.
  • 3. Durch den Aufbau nach Anspruch 10, bei dem eine Metallbasis und ein Keramiksubstrat unter Verwendung von Silberwachsmaterial aneinander befestigt werden, ist es möglich, das Modul im Vergleich zu einem unter Verwendung von Lötmittel verbundenen Modul mit einer hervorragenden Wärmeabstrahlung sowie einer langen Lebensdauer hinsichtlich des Ermüdens zu versehen.

Claims (11)

1. Leistungshalbleitermodul, umfassend:
eine Metallbasis (1), die als Kühlkörper dient;
eine Schaltungsanordnung, bei der ein Halbleiterchip (9) auf einem Keramiksubstrat (8) an­ geordnet ist, das auf der Metallbasis angeordnet ist; und
ein Außengehäuse (2) mit einstückig gebildeten Anschlüssen (3); wobei:
das Keramiksubstrat (8) so aufgebaut ist, daß eine obere Schaltungsplatte (8b) und eine untere Platte (8c), die aus Metall gebildet sind, mit der Oberseite bzw. der Unterseite einer Keramikplatte (8a) verbunden sind und eine Verbindung unter Verwendung von Lötmittel zwischen der Metallbasis und der unteren Platte des Keramiksubstrats gebildet ist;
das Material der Metallbasis (1) Kupfer oder eine Kupferlegierung mit einer Wärmeleitfä­ higkeit von 250 W/m.K oder größer ist, wobei die Plattendicke dieser Metallbasis mindestens 3,9 mm und nicht mehr als 6 mm beträgt;
die Dicke der Keramikplatte (8a) des Keramiksubstrats (8) mindestens 0,1 mm und nicht mehr als 0,65 mm beträgt, die Dicke der oberen Schaltungsplatte (8b) und der unteren Platte (8c) mindestens 0,1 mm und nicht mehr als 0,5 mm beträgt, die Gesamtgröße dieses Keramiksubstrats auf höchstens 51 mm × 50 mm, vorzugsweise höchstens 50 mm × 50 mm, begrenzt ist und das Verhältnis von dessen Länge zu dessen Breite auf einen Bereich zwischen 1 : 1 und 1 : 1, 2 eingestellt ist; und
das Leistungshalbleitermodul durch Bildung einer Verbindung unter Verwendung von Löt­ mittel zwischen der Metallbasis (1) und dem Keramiksubstrat (8) zusammengefügt ist, wobei das verwendete Lötmittel einen Schmelzpunkt zwischen 183 und 250°C aufweist und die Dicke der Lötmittelschicht mindestens 0,1 mm und nicht mehr als 0,3 mm beträgt.
2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, bei dem die Keramikplatte (8a) des Keramik­ substrats (8) aus Aluminiumnitrid gebildet ist und die obere Schaltungsplatte (8b) sowie die untere Platte (8c) aus Aluminium gebildet sind.
3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, bei dem die Keramikplatte (8a) des Keramik­ substrats (8) aus Siliciumnitrid gebildet ist und die obere Schaltungsplatte (8b) sowie die untere Platte (8c) aus Kupfer gebildet sind.
4. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, bei dem die Keramikplatte (8a) des Keramik­ substrats (8) aus Aluminiumoxid gebildet ist und die obere Schaltungsplatte (8b) sowie die untere Platte (8c) aus Kupfer gebildet sind.
5. Leistungshalbleitermodul, umfassend:
eine Metallbasis (1), die als Kühlkörper dient;
eine Schaltungsanordnung, bei dar ein Halbleiterchip (9) auf einem Keramiksubstrat (8) an­ geordnet ist, das auf der Metallbasis angeordnet ist; und
ein Außengehäuse (2) mit einstückig gebildeten Anschlüssen (3); wobei:
ein Keramiksubstrat (8) durch aufeinanderfolgendes Aufspritzen einer Keramikschicht des Keramiksubstrats und einer Kupferschicht einer oberen Schaltungsplatte (8e) auf die Oberfläche der Metallbasis (1) einstückig mit der Metallbasis gebildet ist.
6. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 5, bei dem die Keramikschicht aus Aluminium­ oxid, Aluminiumnitrid oder Siliciumnitrid gebildet ist.
7. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 5, bei dem auf die Oberfläche der Kupfer­ schicht Aluminium zur Bildung einer Anschlußfläche für die obere Schaltungsplatte (8b) gespritzt ist.
8. Leistungshalbleitermodul, umfassend:
eine Metallbasis (1), die als Kühlkörper dient;
eine Schaltungsanordnung, bei der ein Halbleiterchip (9) auf einem Keramiksubstrat (8) an­ geordnet ist, das auf der Metallbasis angeordnet ist; und
ein Außengehäuse (2) mit einstückig gebildeten Anschlüssen (3); wobei:
die Metallbasis (1) mittels eines Gießverfahrens an der Unterseite einer Keramikplatte (8a) des Keramiksubstrats (8), das keine untere Platte aufweist und bei dem eine obere Schaltungsplatte (8b) mit der Keramikplatte verbunden ist, einstückig angeformt ist.
9. Leistungshalbleitermodul, umfassend:
eine Metallbasis (1), die als Kühlkörper dient;
eine Schaltungsanordnung, bei der ein Halbleiterchip (9) auf einem Keramiksubstrat (8) an­ geordnet ist, das auf der Metallbasis angeordnet ist; und
ein Außengehäuse (2) mit einstückig gebildeten Anschlüssen (3); wobei:
eine obere Schaltungsplatte (8b) und die Metallbasis (1) durch Bildung einer Schicht aus geschmolzenem Metall an der Oberseite bzw. der Unterseite einer Keramikplatte (8a) des Keramik­ substrats (8) direkt gebildet sind.
10. Leistungshalbleitermodul, umfassend:
eine Metallbasis (1), die als Kühlkörper dient;
eine Schaltungsanordnung, bei der ein Halbleiterchip (9) auf einem Keramiksubstrat (8) an­ geordnet ist, das auf der Metallbasis angeordnet ist; und
ein Außengehäuse (2) mit einstückig gebildeten Anschlüssen (3); wobei:
das Keramiksubstrat (8), das keine untere Platte aufweist und bei dem eine obere Schal­ tungsplatte (8b) mit einer Keramikplatte (8a) verbunden ist, und die Metallbasis (1) mittels eines Silberwachsmaterials durch Hartlöten aneinander befestigt sind.
11. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1-10, das durch Anordnen eines oder mehrerer der Keramiksubstrate (8) auf der Metallbasis (1) gebildet ist.
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