DE19639938A1 - Hybridintegrierte Schaltung mit einem geklebtem Kühlkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hybridintegrierte Schaltung mit einem plattenförmigen Keramiksubstrat, das auf einer Hauptfläche mindestens mit einem Schaltungselement mit hoher Verlustleistung bestückt ist und an dessen gegenüberliegender Hauptfläche ein großflächiger Kühlkörper mittels einer wärme­ leitenden Zwischenschicht aus Klebstoff flexibel befestigt ist.

Derartige Leistungshybridschaltungen befinden sich bereits auf dem Markt.

Hybridschaltungen sind Subbaugruppen von elektronischen Gerä­ ten, die beispielsweise wie elektrische Bauelemente auf vor­ handene Flachbaugruppen gelötet werden und damit zu einer Mi­ niaturisierung der Geräte führen. Als Substratmaterial können Aluminiumoxidplatten verwendet werden, auf die dann verschie­ denartigste Bauelemente hybridiert werden. Die Verdrahtung zwischen diesen Komponenten geschieht über spezielle Schicht­ technologien: Durch Siebdruck aufgebrachte Strukturen (Dickschichttechnologie) bzw. durch Vakuumverfahren aufge­ brachte dünne Metall schichten mit nachfolgender Fotolithogra­ phie (Dünnfilmtechnologie). Eine Besonderheit dieser Schicht­ schaltungen ist die Verwendung von integrierten Schichtwider­ ständen. Ein genereller Vorteil derartiger Schichtschaltungen ist, daß Spannungs- und Leistungsspitzen leichter zu beherr­ schen sind als bei integrierten Schaltungen.

Bei Hybridschaltungen mit hoher Verlustleistung muß auf dem Trägersubstrat ein Kühlkörper oder Kühlblech zum Abführen der thermischen Verlustleistung befestigt werden. Um die Lei­ stungsreserven der Hybridschaltung ausnützen zu können, müs­ sen Verbindungstechniken mit geringem thermischen Widerstand zur Verbindung von Kühlkörper und Substratkeramik verwendet werden. Da der Ausdehnungskoeffizient der beiden Materialien sehr unterschiedlich ist, muß die Verbindung außerdem eine große Flexibilität aufweisen. Löten oder andere inflexible Verbindungstechniken scheiden daher aus. Üblicherweise wird deshalb bisher eine Klebetechnik mit flexiblen Klebstoff an­ gewendet. Derartige Klebstoffe, beispielsweise Silikonkleber, weisen jedoch einen relativ großen thermischen Widerstand von ca. 1 W/mK auf. Eine Verbesserung des Wärmeüberganges durch Wahl einer dünneren Zwischenschicht ist schon deshalb nicht möglich, da dies bei etwa vorhandenen Unebenheiten (Toleranzen von Substrat bzw. Keramik) zu Problemen führen würde. Tatsächlich erfordern flexible Klebungen die Einhal­ tung einer ganz bestimmten Dicke der Kleberschicht, um Haft­ festigkeit und Flexibilität zu gewährleisten. Da die gefor­ derte Dicke nur über eine definierte Anpreßkraft der beiden zu verklebenden Teile eingestellt werden kann, die ferti­ gungstechnisch jedoch nur schwer zu beherrschen ist, bleibt die nötige Zuverlässigkeit bei der Schichtdicke auch dann problematisch, wenn das Problem des thermischen Widerstands, wie auch bereits bekannt, durch Zugabe von pulverförmigen ke­ ramischen Materialien zum Klebstoff teilweise entschärft ist. Als Ausweg aus der geschilderten Problematik bietet es sich bisher deshalb oft nur an, die Schaltungen unter Verwendung teurer Bauteile und eines aufwendigen Aufbaues so großzügig zu dimensionieren, daß der relativ schlechte Wärmeübergang einer eher zu dicken Kleberschicht ausreicht.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Hybridschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich durch eine fle­ xible Klebung mit besserem Wärmeleitwert und zuverlässigerer Schichtdicke auszeichnet.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer Hybridschaltung der ein­ gangs genannten Art dadurch erreicht, daß der Klebstoff zu­ sätzlich mit Metallkugeln mit dem Durchmesser der gewünschten Zwischenschichtdicke gefüllt ist.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekenn­ zeichnet. Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausfüh­ rungsbeispiels näher erläutert.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Hybridschaltung bestehen darin, daß durch die Metallkugeln der thermische Widerstand der Zwischenschicht auf ca. 20 bis 50% seines ursprünglichen Wertes verringert werden kann. Dadurch wird eine größere Lei­ stungsabgabe der Schaltung bei gleichem technischen Aufwand ermöglicht. Durch den definierten Durchmesser der Kugeln wird außerdem die Schichtdicke der Klebung gewährleistet, wenn die beiden zu klebenden Teile mit maximal ein Druck aneinander­ gepreßt werden, wodurch sich auch durch Unebenheiten der Keramik oder des Kühlkörpers bedingte Toleranzen ausgleichen lassen. Die Anpreßkraft braucht also nicht mehr auf einen vorgegebenen, nicht maximalen Wert reguliert werden.

Als Anwendungsbeispiel sei ein Leistungsmodul, beispielsweise ein IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor)-Modul in Dick­ schichttechnik beschrieben, das zur Wärmeentsorgung der Halb­ leiterchips mit einem Aluminium-Kühlkörper verbunden werden muß. Der Silikonkleber, beispielsweise der Q1 Kleber der Firma Dow-Corney wird vorteilhaft mit Zinn-Blei-Kugeln (Lotkugeln) des Durchmessers von 25 um gefüllt. Die Chips selber sind etwa 200 µm dick. Als Zwischenschichtdicke kommt ein Bereich von etwa 20 bis 50 µm in Frage. Das Dickschicht­ modul wird mit einer Preßvorrichtung auf den mit dem Kleb­ stoff mittels Siebdruck bedruckten Kühlkörper gepreßt. Die Lotkugeln halbieren ungefähr den thermischen Widerstand der Klebeverbindung. Dadurch können die Halbleiter mit höherer Leistung betrieben werden.

Claims (3)

1. Hybridintegrierte Schaltung mit einem plattenförmigen Ke­ ramiksubstrat, das auf einer Hauptfläche mindestens mit einem Schaltungselement mit hoher Verlustleistung bestückt ist und an dessen gegenüberliegender Hauptfläche ein großflächiger Kühlkörper mittels einer wärmeleitenden Zwischenschicht aus Klebstoff flexibel befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kleb­ stoff zusätzlich mit Metallkugeln mit dem Durchmesser der ge­ wünschten Zwischenschichtdicke gefüllt ist.

2. Hybridschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kleb­ stoff ein mit pulverförmigen keramischem Material gefüllter Silikonkleber ist.

3. Hybridschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Me­ tallkugeln Zinn-Blei-Lotkugeln mit einem Durchmesser von etwa 20 bis 50 µm sind.