DE3940933A1 - Verfahren zur verformung von basisplatten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verformung einer Basisplatte, bestehend aus mindestens zwei über eine Lotschicht miteinander verbundenen Platten mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten.

In der Veröffentlichungsschrift "Direct Bonding-Substrate" (März 1986) der Firma Doduco ist der typische Aufbau von Leistungshalbleitermodulen mit einer Basisplatte zeichnerisch dargestellt, sowie zwei Verfahrensweisen zum direkten Verbinden einer Al₂O₃-Keramikplatte mit einem Metall beschrieben. Nach der konventionellen Technologie wird auf eine Unterlage (zum Beispiel Kupferplatte) eine Al₂O₃-Keramikplatte aufgelötet, worauf eine weitere Kupferplatte, eine Molybdänschicht und schließlich Siliziumhalbleiter jeweils durch Lotschichten aufgebracht sind. Nach der keramik-kaschierten Methode wird die Al₂O₃-Keramik vor dem Verlöten mit Hilfe einer eutektischen Schmelze aus Cu/Cu₂O beidseitig mit einer Kupferschicht versehen und diese dann mit einer Unterlage, beispielsweise einer Kupferplatte, verlötet. Die kupfer-kaschierte Keramikplatte trägt die Silizium-Chips, welche ohne Molybdän-Zwischenschicht direkt aufgelötet werden.

Ein Kunststoffgehäuse schützt den jeweiligen Modul vor Beschädigung.

Um Halbleitermodule vor Zerstörung durch, vor allem bei deren Verwendung in der Leistungselektronik entstehende Wärme zu schützen, ist ein guter wärmeleitfähiger Kontakt des Moduls zu einem Kühlkörper erforderlich. Hierzu muß die Kupferträgerplatte des Moduls bezogen auf einen ebenen Kühlkörper, als konvex gewölbte Fläche - vorzugsweise als Kugeloberfläche - vorliegen, so daß bei seitlicher Verschraubung des Moduls auf den betreffenden Kühlkörpers das Modul unter mechanischer Spannung an den Kühlkörper angepreßt wird. Das Erzielen einer entsprechenden Form der Trägerplatte stellt ein großes Problem dar:
Die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kupfer und Al₂O₃ sind stark verschieden, so daß die beim Verlöten der Platten notwendigerweise auftretende Wärme dazu führt, daß sich die Al₂O₃-Keramik und die Kupfer­ trägerplatte unterschiedlich stark ausdehnen (Bimetalleffekt). Die Folge ist, daß nach Abkühlung der Anordnung nicht mehr eine planparallele, sondern eine, auf die Lage der Keramikplatte bezogen, konkav gekrümmte Kupferträgerplatte vorliegt. Das bedeutet, daß ein guter Kontakt der Trägerplatte zum Kühlkörper nur noch an den seitlichen Flächen der Anordnung gewährleistet ist, der Mittelteil jedoch keinen oder nur schlechten Kontakt aufweist und so kaum zur Wärmeabführung beitragen kann.

Um eine konvex gewölbte, möglichst einer Kugeloberfläche entsprechende Plattenanordnung zu erhalten, könnte man genügend kleine Keramikplatten auf eine konvex vorgeformte Kupferträgerplatte mittels einer Weichlotverbindung aufbringen, so daß sich nach Abkühlung der Anordnung die gewünschte Plattenanordnung zumindest näherungsweise ergibt.

Wegen der Beziehung Δx = Δα×ΔT×l, wobei Δx die Differenz der linearen Ausdehnung und Δα die Differenz der linearen Ausdehnungskoeffizienten von Keramik- und Kupferplatte bezeichnet, sowie ΔT die Temperaturdifferenz der Anordnung zwischen Schmelztemperatur des Lots und Raumtemperatur und l die Länge der aufzubringenden Keramikplatte, folgt, daß ein günstiges Verfahren zur Vermeidung von unerwünschten Trägerplattenverformungen darin besteht, Δx und damit also die Parameter Δα, ΔT und l möglichst zu verkleinern. Dem sind jedoch Grenzen gesetzt:
Δα ist allein materialabhängig und somit nicht variabel solange die Verwendung von Kupfer und Al₂O₃ als Basisplattenmaterial verlangt ist. Um die Differenz der Temperaturen während des Lötvorgangs und nach Abkühlung der Anordnung möglichst klein zu halten, muß ein Lot verwendet werden das eine niedrige Schmelztemperatur besitzt, andererseits jedoch nicht derart niedrig, daß die später bei Betrieb des Halbleitermoduls in Form von Wärme entstehende Verlustleistung das Lot zum Schmelzen bringt. Es sind Schmelztemperaturen von ca. 180°C üblich. Diese Maßnahme reicht jedoch nicht mehr aus, wenn größere Keramikplatten verwendet werden sollen, da die Keramikplattenlänge l ebenfalls proportional in die Beziehung für die Differenz der linearen Ausdehnung zweier Materialien eingeht. Es bietet sich an, statt einer einzigen großen Keramikplatte mehrere kleine Platten zu verwenden, um so die Länge l wunschgemäß zu dimensionieren. Da diese Maßnahme jedoch bedingt, daß viele Einzelteile jeweils für sich montiert werden müssen und zudem zusätzliche Verbindungen zwischen den Einzelplatten notwendig werden, ist diese Möglichkeit insgesamt unwirtschaftlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens verfügbar zu machen, so daß einfach und wirtschaftlich die durch den Lötprozeß verformte Basisplatte in eine bestimmte, vorgegebene Form gebracht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Basisplatte in einer Preßschale einer Temperatur und einem Druck ausgesetzt wird, derart, daß zumindest die an der Oberfläche der Preßschale angrenzende Platte der Basisplatte der vorgegebenen Form der Preßschale angepaßt und dadurch eine bleibende Verformung erzielt wird.

Mit dem Verfahren und der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens lassen sich durch Lotschichten verbundene Platten mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten derart verformen, daß sie der Form eines vorgegebenen Körpers optimal angepaßt werden können. Insbesondere kann eine Trägerplatte aus Kupfer, die mit einer Keramikplatte aus Al₂O₃ mittels einer Weichlotschicht verbunden ist in eine vorgegebene, zum Beispiel, bezogen auf einen Kühlkörper, konvexe Form gebracht werden.

Besonders günstig - insbesondere auch für die Herstellung - ist es, die Form der Kupferträgerplatte als konvex gewölbte Kugeloberfläche auszubilden. Besonders vorteilhaft ist es, daß die Anordnung aus Al₂O₃-Keramik, Lotschicht und Trägerplatte nachträglich, das heißt also nach Abschluß der Lötmontage gemäß der Erfindung wunschgemäß verformt werden kann. Vorteilhaft wirkt sich das Verfahren insofern aus, daß mechanische Spannungen, die aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Al₂O₃ und Kupfer nach einem ersten Abkühlvorgang auftreten, durch daß erneute Erwärmen gemäß der Erfindung stark vermindert werden, so daß diesbezügliche Materialbeanspruchungen verringert werden.

Besonders vorteilhaft wirkt sich die besonders einfache und wirtschaftliche Anwendung des Verfahrens aus, dessen zugehörige Anordnung nur aus beheizbarer Preßform und einer mechanischen Anordnung zur Druckausübung besteht. Die Druckvorrichtung ist so ausgelegt, daß sie ausschließlich an den überstehenden Kanten der an der Preßschale angrenzenden Platte der Basisplatte angreift, so daß weder die Keramik noch die auf ihr montierten Chips beschädigt werden können. Günstig ist es zudem, daß die Heiztemperatur unterhalb der eigentlichen Schmelztemperatur des Lots liegt, so daß einerseits ein echtes Fließen des Lots, was die Stärke der Lotschicht bei der Erwärmung der Anordnung ungünstig verändert würde, sowie andererseits Materialschädigungen durch die zugeführte Wärme nicht befürchtet werden müssen. Da die während des Druckvorgangs zugeführte Wärme das Lot plastisch werden läßt, werden Rißbildungen die bei Druckausübungen ohne Erwärmung innerhalb des Lots auftreten könnten, vermieden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1 bis 6 näher erläutert, woraus sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.

Es zeigen

Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau eines Leistungshalbleiter- Moduls;

Fig. 2 eine Basisplatte eines Leistungshalbleiter-Moduls nach dem Abkühlvorgang der großflächigen Weichlotverbindung;

Fig. 3 eine Druckvorrichtung sowie eine Preßschale mit Halbleitermodul;

Fig. 4 eine in einer Preßschale befindliche Basisplatte bestehend aus Kupferträgerplatte mit mittels großflächiger Weichlotverbindung aufgebrachter Keramikplatte;

Fig. 5 eine Basisplatte nach Abkühlung und Entnahme aus der Preßform.

Der in Fig. 1 dargestellte prinzipielle Aufbau eines Leistungshalbleiter- Moduls 1 besteht aus einer Kupferträgerplatte 2, einer mittels Weichlotschicht 3 aufgebrachten Al₂O₃-Keramik 4 auf der, mittels einer weiteren Lotschicht 5, die eigentlichen Halbleiter-Bauteile 6 befestigt sind. Ein Kunststoffgehäuse 7 schützt den Halbleitermodul 1 vor Beschädigung.

In Fig. 2 ist die Anordnung dargestellt, wie sie üblicherweise nach der Erkaltung der großflächigen Weichlotverbindung 3 vorliegt.

Liegen vor Erstellung der großflächigen Weichlotverbindung 3, Keramik- 4 und Kupferplatte 2 parallel angeordnet vor, so bildet die Kupferträgerplatte 2 nach Erkaltung der Anordnung eine, bezogen auf die Keramikplatte 4, konkave Verformung aus, bedingt durch die stark unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten α von Kupfer (α Cu = 17,5×10^-6) und Al₂O₃ (α Al₂O₃ = 6,6×10^-6). Diese konkave bzw. hohle Ausbildung der Kupferplatte 2 bedeutet, daß eine gute thermische Ankopplung der Kupferplatte 2 an einen ebenen Kühlkörper 8 nicht mehr gewährleistet werden kann. Ideal ist dagegen eine nach Erkaltung der Lötverbindung 3 leicht konvex ausgebildete Trägerplattenform, da eine anschließende Verbindung - beispielsweise Verschraubung 9 - der Außenseiten der Trägerplatte 2 mit dem Kühlkörper 8 eine besonders enge mechanische Verbindung und damit eine entsprechend gute thermische Kopplung ergibt.

Zur Erzielung dieser leicht konvexen Trägerplattenform im erkalteten Zustand bietet sich die Verwendung einer vor der Verlötung relativ stark konvex vorgeformte Trägerplatte 2 an, so daß nach Erkaltung der Lotschicht 3 die gewünschte Restkonvexität der Kupferplatte 2 vorliegt.

Dieses Verfahren ist allerdings nur für genügend kleine Keramikplatten 4 geeignet, denn Versuche zeigen, daß bei Verlötung größerer Keramikplatten 4 eine konvexe Vorverformung der Trägerplatte 2 nicht ausreicht, um nach Abkühlung der großflächigen Lotschicht 3 die konkave Verformung der Trägerplatte 2 zu verhindern. Es ergibt sich wiederum eine unerwünschte Anordnung gemäß Fig. 2. Hinzu kommt, daß dieses Verfahren der Auflötung kleiner dimensionierter Keramikplatten 4 recht aufwendig ist, da eine zusätzliche gegenseitige Verdrahtung notwendig wird.

Anhand der Fig. 3 bis 5 wird ein genaues Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.

Fig. 3 zeigt die Vorrichtung gemäß der Erfindung:
Eine beheizbare Schale 14 besteht aus einer konvex vorgeformten, massiven Platte, die über die gesamte Unterseite großflächig mit einer Heizwendel 16 versehen ist. Ein bis auf Anbringung und Vergießen des Gehäuses bereits völlig fertiggestellter, einsatzfähiger Halbleitermodul 1 mit Basisplatte 2, 3, 4 befindet sich innerhalb der Schale 14; deutlichkeitshalber sind die Wölbungen der Schale 14 und der Platten 11 der Druckvorrichtung 10 übertrieben stark ausgeprägt bezeichnet.

Zu beachten ist, daß die Kupferplatte 2 der Basisplatte 2, 3, 4 eines handelsüblichen Moduls 1 so groß ist, daß alle vier Seiten der Kupferplatte 2 über die aufgelöteten Keramikplatten 4 hinausragen und zwar einerseits an den Querseiten des Moduls 1 zwecks Verschraubungsmöglichkeit 9 der Kupferplatte 2 mit einem Kühlkörper 8, andererseits aber auch an den Längsseiten 15.

Diese schmalen überstehenden Längskanten 15 der Kupferplatte 2 bilden die Angriffsflächen für die verformende Druckvorrichtung 10. Die eigentliche Druckvorrichtung 10 besteht aus zwei parallel angeordneten Platten 11 mit entsprechend der Schale 14 konvex ausgestalteten Unterkanten 12, deren Dicke der Breite der überstehenden Längskanten 15 der Kupferplatte 2 entsprechen und deren Abstand derart gewählt ist, daß sie an den Keramikplatten 4 des Halbleitermoduls 1 vorbeigleitend, auf die genannten Längskanten 15 der Kupferplatte 2 aufsetzen.

In Vertikalrichtung sind die gekoppelten Platten 11 verschiebbar angeordnet, so daß eine von oben auf die gekoppelten Platten 11 wirkende Kraft 13 über die Platten 11 auf die überstehenden Längskanten 15 der Kupferträgerplatte 2 übertragen wird.

Fig. 4 zeigt die Schale 14 mit Heizwendel 16, sowie die in der Schale 14 befindliche Basisplatte 2, 3, 4 des Halbleitermoduls 1. Die Pfeile 13 weisen auf die von den Druckplatten 11 herrührenden Kräfte hin, die auf die Längskanten 15 der Kupferträgerplatte 2 wirken. Infolge der konvexen Plattenunterkanten 12 sowie der mit gleicher Krümmung konvex geformten Schale 14 verformt sich die Kupferplatte 2 des Halbleitermoduls 1 unter dieser Krafteinwirkung entsprechend. Dabei bewirkt die Steifigkeit der Kupferplatte 2, daß nicht nur die Längskanten 15, sondern die gesamte Kupferplatte 2 gut an die konvexe Fläche der Schale 14 angedrückt wird. Die Verformung wird dadurch erleichtert, daß während des Pressens gleichzeitig über die Heizwendel 16 der Schale 14 soviel Wärme zugeführt wird, daß das Lot der Lotschicht 3 plastische Eigenschaften annimmt, ohne jedoch den Schmelzpunkt zu erreichen. Vorzugsweise werden die Module 1 vor der eigentlichen Verformung auf ca. 150°C vorgewärmt und erst anschließend in die beheizte Preßschale 14 eingelegt.

Das Andrücken der Kupferplatte 2 an die Preßschale 14 mittels Druckvorrichtung 10 ermöglicht hierbei einen guten Wärmefluß von der Heizwendel 16 über die Preßschale 14 auf die zu erwärmende Lotschicht 3 des Halbleitermoduls 1.

Fig. 6 zeigt die Basisplatte 2, 3, 4 des Halbleitermoduls 1 nach Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung und nach Abkühlung des Halbleitermoduls 1 auf Raumtemperatur:
Die Verformung der Basisplatte 2, 3, 4 hat sich teilweise zurückgebildet, so daß insgesamt eine wunschgemäße Restkonvexität vorliegt und dauerhaft fixiert ist.

Im konkreten Ausführungsbeispiel wurde ein handelsüblicher Leistungs- Halbleitermodul 1 verwendet, mit einer zu verformenden Kupferträgerplatte 2 der Maße 94 mm×34 mm×3 mm (Länge × Breite × Dicke) und einer mittels Lötfolie 3 aufgelöteten Al₂O₃-Keramikplatte 4 der Masse 61 mm×29 mm×0,635 mm. Die ca. 0,2 mm dicke Weichlötschicht 3 zwischen Kupferplatte 2 und Al₂O₃-Keramik 4 entspricht einer Legierung der Zusammensetzung PbSnAg 40/59/1, deren Schmelzpunkt 183°C beträgt. In diesem Fall bietet sich eine Heiztemperatur von 130°C bis 150°C an, um eine Plastizität des Lots 3 zu erzielen. Im Experiment wurde vornehmlich bei 150°C gearbeitet. Der gleichzeitig ausgeübte Druck auf die Längsseiten 15 der Kupferplatte 2 wurde während 5 s aufrechterhalten, wobei die Kupferplatte 2 900 µm (vertikal in Druckrichtung gemessen) durchgedrückt wurde. Nach Entfernung aus der Preßvorrichtung 10, 14 und bei Abkühlung des Moduls 1 auf Raumtemperatur bildet sich die Verformung auf 100 µm zurück, so daß die wunschgemäße Restkonvexität der Kupferträgerplatte 2 dauerhaft fixiert ist. Bei seitlicher Verschraubung 9 der Kupferplatte 2 mit einem großflächigen planen Kühlkörper 8 entsteht, unter leicht mechanischer Spannung, eine ideale thermische Ankopplung des Halbleitermoduls 1 an den Kühlkörper 8, so daß insgesamt die Möglichkeit einer optimalen Wärmeabfuhr gewährleistet ist.

Bezugszeichenliste

 1 Halbleitermodul
 2 Kupferträgerplatte
 3 Weichlot
 4 Al₂O₃-Keramik
 5 Hartlot
 6 Si-Chip, Halbleiterbauelemente
 7 Kunststoffgehäuse
 8 Kühlkörper
 9 Schrauben
10 Druckvorrichtung
11 Platte
12 konvex ausgestaltete Unterkanten
13 Kraftvektor
14 Schale, Preßschale
15 überstehende Längskanten der Kupferträgerplatte 2
16 Heizwendel

Claims (13)

1. Verfahren zur Verformung einer Basisplatte, bestehend aus mindestens zwei über eine Lotschicht miteinander verbundenen Platten mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisplatte (2, 3, 4) in einer Preßschale (14) einer Temperatur und einem Druck ausgesetzt wird, derart, daß zumindest die an der Oberfläche der Preßschale (14) angrenzende Platte (2) der Basisplatte (2, 3, 4) der vorgegebenen Form der Preßschale (14) angepaßt und dadurch eine bleibende Verformung erzielt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur derart gewählt wird, daß sich das Lot (3) plastisch verhält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lot (3) der Zusammensetzung PbSnAg 40/59/1 verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Temperatur im Bereich von 130°C-150°C.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Temperatur von 150°C.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Platte (4) aus Aluminiumoxid und die andere, an der Oberfläche der Preßschale (14) angrenzende Platte (2), aus Kupfer besteht.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckvorrichtung (10) zwei parallel angeordnete Platten (11) mit gekrümmten Unterkanten (12) aufweist, daß eine Preßschale (14) mit gleicher Krümmung vorgesehen ist, und daß die Druckvorrichtung (10) und/oder die Preßschale (14) zur Verformung der Platte (2) senkrecht zu den gekrümmten Flächen verschiebbar sind/ist.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der Preßschale (14) bezogen auf die Basisplatte (2, 3, 4) konvex ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Konvexität sowohl in Längs- als auch in Querrichtung der Preßschale (14) vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Konvexität in Längs- und Querrichtung derart ausgebildet ist, daß sie einer Kugeloberfläche entspricht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Preßschale (14) beheizbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Preßschale (14) mit einer Heizwendel (16) versehen ist.

13. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei einer mit Halbleiterbauelementen bestückten Basisplatte eines Halbleitermoduls.