Die Erfindung betrifft ein Leistungsbauteil mit einer
Wärmesenke, die mit einem Leistungshalbleiterchip verbunden ist
sowie ein Verfahren zur Herstellung derartiger
Leistungsbauteile gemäß der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Bei Leistungsbauteilen ergibt sich eine entscheidende
thermische Grenze der Funktionsfähigkeit. Diese Grenze bildet die
im Betrieb auftretende Verlustleistung der Schalt- oder
Verstärkungs- Leistungsbauteile, die als Wärme abzuführen ist.
Die aktiven PN-Übergänge dürfen sich dabei nicht soweit
erwärmen, dass sie nur noch passive Widerstände darstellen.
Um die Verlustwärme abzuführen, sind unterschiedliche
Maßnahmen bekannt, wie beispielsweise eine Wärmesenke, die passiv
wirkt oder die Kühlrippen aufweist, welche in Zusammenwirkung
mit bewegter Luft oder bewegten flüssigen Kühlmedien, wie
Transformatorenöl, dafür sorgen, dass die Verlustwärme der
Leistungsbauteile in die Umgebung abgegeben wird. Während
also eine Wärmesenke nur passiv die Wärme nach außen leitet
und Kühlrippen die kühlbare Oberfläche einer Wärmesenke
vergrößern, ist eine aktive Kühlung mit Hilfe von Gebläsen oder
bewegten Kühlflüssigkeiten äußerst aufwendig und erfordert
Vorrichtungen, die außerhalb des elektronischen Bauteils
aufzubauen sind.
Somit kann die Wärmeabfuhr durch eine Wärmesenke selbst bei
größter Wärmekapazität und höchster Wärmeleitfähigkeit des
Wärmesenkenmaterlals nicht beliebig vergrößert werden, ohne
das Leistungsbauteil in seiner räumlichen Erstreckung
wesentlich zu vergrößern. Eine aktive Kühlung ist bisher nur durch
Sekundäraufbauten erreichbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Kühlwirkung innerhalb von
Leistungsbauteilen zu vergrößern, ohne beispielsweise das
Volumen einer Wärmesenke zu vergrößern.
Gelöst wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen
Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Leistungsbauteil mit einer
Wärmesenke angegeben, wobei die Wärmesenke mit einem
Leistungshalbleiterchip verbunden ist, und wobei die Wärmesenke
gleichzeitig eine Stromzuführung zu dem Leistungshalbleiterchip
darstellt. Darüber hinaus weist die Wärmesenke in dem
Wärmeübergangsbereich mit dem Leistungshalbleiterchip mindestens einen
kühlenden Peltierübergang auf.
Dieses Leistungsbauteil hat den Vorteil, dass der durch das
Leistungsbauteil zu schaltende oder zu verstärkende Strom
aktiv eine Kühlung des Leistungsbauteils bewirkt, indem er
durch die Wärmesenke geführt wird, die mindestens einen
kühlenden Peltierübergang aufweist. Dazu wird erfindungsgemäß
der kühlende Peltierübergang eines Peltierelementes in
unmittelbarer Nähe des Wärmeübergangsbereiches vom
Leistungshalbleiterchip zur Wärmesenke angeordnet und der sich bei
Stromdurchgang erwärmende Peltierübergang wird beabstandet von dem
Wärmeübergangsbereich angeordnet.
Somit hat das erfindungsgemäße Leistungsbauteil den Vorteil,
dass die Kühlwirkung der Wärmesenke nicht nur aktiv verstärkt
wird, sondern auch durch den zu schaltenden oder zu
verstärkenden Strom des Leistungsbauteils selbst geregelt wird. Bei
hohen Stromwerten ist die Kühlwirkung des kühlenden
Peltierübergangs stärker als bei niedrigen Strömen, die durch das
Leistungsbauteil fließen. Da der Querschnitt einer Wärmesenke
bedeutend größer ist als der Querschnitt der Leiterbahnen,
die in dem Leistungsbauteil miteinander verbunden sind, kann
davon ausgegangen werden, dass der erhöhte Widerstand von
Peltiermaterialien und insbesondere der erhöhte Widerstand an
den Peltierübergängen keine Beeinträchtigung des zu
schaltenden oder zu verstärkenden Stromes des Leistungsbauteils
darstellt.
Die Wirkung einer derartigen stromführenden Wärmesenke aus
Materialien mit Peltierübergängen kann durch Anordnen
mehrerer kühlender Peltierübergänge im Wärmeübergangsbereich des
Leistungshalbleiterchips zusätzlich vergrößert werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen,
dass der kühlende Peltierübergang orthogonal zu dem
Wärmeübergangsbereich des Leistungshalbleiterchips angeordnet ist.
Entsprechend ist der sich erwärmende Peltierübergang
orthogonal zu der Ebene des Wärmeübergangsbereiches angeordnet,
jedoch außerhalb und damit beabstandet von dem
Wärmeübergangsbereich des Leistungsbauteils.
Die Stromzuführung zu dem Halbleiterchip ist so ausgeführt,
dass zwischen einer Außenanschlussfläche einer Trägerplatte
und einer Kontaktanschlußfläche der Trägerplatte, die mit
entsprechenden Kontaktflächen des Leistungshalbleiterchips
verbunden ist, die Wärmesenke mit ihrem kühlenden
Peltierübergang zwischengeschaltet bleibt. Das bedeutet, dass kein
Leistungsstrom, der den Leistungshalbleiterchip erreichen
soll beziehungsweise vom Leistungshalbleiterchip abgegeben
werden soll, nicht über die Wärmesenke zu- oder abgeführt
wird. Da für die Kühlwirkung und die Heizwirkung von
Peltierelementen die Stromrichtung entscheidend bleibt, ist
diese bei der Struktur der Wärmesenke und bei der Struktur des
Anschlusses des Leistungshalbleiterchips auf einer
isolierenden Trägerplatte entsprechend berücksichtigt.
Neben einer orthogonalen Anordnung eines kühlenden
Peltierübergangs im Wärmeübergangsbereich des
Leistungshalbleiterchips wird bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung
ein Peltierübergang verwendet, der parallel zu der passiven
Rückseite des Leistungshalbleiterchips angeordnet ist. In
diesem Fall ist die Wärmesenke durch parallele Schichten
gekennzeichnet, die unterhalb der passiven Rückseite des
Leistungshalbleiterchips nacheinander angeordnet sind, so dass
der kühlende Peltierübergang in unmittelbarer Nähe der
passiven Rückseite des Leistungshalbleiterchips angeordnet ist und
der parallel dazu angeordnete wärme erzeugende Peltierübergang
die Außenseite der Wärmesenke bildet und beabstandet von dem
Wärmeübergangsbereich vorgesehen ist.
Beide Ausführungsformen nämlich sowohl mit vertikal als auch
mit horizontal ausgerichtetem kühlenden Peltierübergang haben
den Vorteil, dass die Wärmesenke nicht nur passiv Wärme
abführt oder passiv Wärme aufnimmt entsprechend ihrer
Wärmeleitfähigkeit beziehungsweise ihrer Wärmekapazität sondern
aktiv den Leistungshalbleiterchip innerhalb beispielsweise
einer Kunststoffgehäusemasse kühlen kann.
Zwischen dem Wärmeübergangsbereich des
Leistungshalbleiterchips und der stromführenden Wärmesenke mit dem mindestens
einen kühlenden Peltierübergang kann eine elektrisch
isolierende Schicht angeordnet sein. Diese elektrisch isolierende
Schicht soll dafür sorgen, dass nicht über beispielsweise die
Rückseite des Leistungshalbleiterchips bereits parasitäre
Ströme in den Halbleiterchip eingeleitet werden können,
sondern dass der gesamte Stromfluss von dem
Leistungshalbleiterchip über die Wärmesenke und damit über den kühlenden
Peltierübergang zu einer externen Außenanschlussfläche geleitet
wird. Eine derartige elektrisch isolierende, aber
wärmeleitende Schicht zwischen der stromführenden Wärmesenke und dem
Leistungshalbleiterchip kann eine mit Nanopartikeln gefüllte
Kunststoffmasse sein, wobei der Anteil an Nanopartikeln
zwischen 60 und 65 Gew.-% dieser Schicht aufweist. Derartige
Nanopartikel haben den Vorteil, dass sie einerseits die
elektrische Isolation erhöhen, andererseits die
Wärmeleitfähigkeit verbessern und schließlich aufgrund ihrer minimalen
Abmessungen zu beliebig dünnen Klebeschichten zusammengedrückt
werden können.
Eine weitere Möglichkeit, möglichst dünne elektrisch
isolierende, aber wärmetechnisch leitende Schichten herzustellen,
besteht darin, die stromführende Wärmesenke mit dem
Leistungshalbleiterchip im Wärmeübergangsbereich des
Leistungshalbleiterchips mittels Ormoceren zu verbinden, die nur
wenige Mikrometer Dicke aufweisen müssen, um einerseits ihre
volle Klebewirkung zu entfalten und andererseits eine hohe
Spannungsfestigkeit der Klebeschicht zu ermöglichen.
Eine besondere Ausführungsform der Erfindung ist darin zu
sehen, dass als Wärmesenke mit Peltierübergängen die
Außenkontakte eines Leistungshalbleiterchips vorgesehen werden. Dazu
werden die Außenkontakte derart strukturiert und aus
verschiedenen Metallschichten hergestellt, so dass ein kühlender
Peltierübergang sich unmittelbar an die Außenkontaktflächen
des Leistungshalbleiterchips anschließt und der sich
erwärmende Peltierübergang zu dem Schaltungsträger hin, auf dem
das Leistungshalbleiterchip montiert werden soll, angeordnet
ist. Beim Durchgang von Strom durch einen derartigen
Außenkontakt wird dieser Außenkontakt eine aktive Kühlleistung
über die Außenkontaktfläche des Halbleiterchip an den
Halbleiterchip und an die Leistungsschaltungsstruktur des
Halbleiterchips abgeben. Mit der Erfindung ist es möglich, ohne
die Leistungsbauteile im Volumen zu erhöhen, eine aktive
Kühlung innerhalb des Leistungsbauteils anzuordnen, sei es durch
die besondere Strukturierung einer Wärmesenke oder sei es
dass Außenkontakte als Wärmesenke mit kühlenden
Peltierübergängen ausgestattet werden.
Einen optimalen Peltiereffekt zeigen Materialien mit hoher
Wärmeleitfähigkeit und verminderter elektrischer
Leiterfähigkeit und möglichst unterschiedlicher elektronischer
Austrittsarbeit an den Oberflächen der Materialien. Ein
Peltierübergang kann durch Aufeinanderlöten oder miteinander
Verbinden von Metallen hergestellt werden, wobei auf der einen
Seite Kupfer, Eisen oder Nickel eingesetzt wird und auf der
anderen Seite eines Peltierübergangs Konstantan verwendet wird.
Dabei ist Konstantan eine Legierung aus 50 Atom-% Kupfer, 49
Atom-% Eisen und Rest Mangan. Wesentlich wirksamer lässt sich
ein Peltiereffekt bei der Verwendung unterschiedlicher,
hochdotierter Halbleiter realisieren. Der Peltierkoeffizient von
Halbleitern kann durch eine zusätzliche und entsprechende
Dotierung optimiert werden. Gleichzeit erhöht sich mit der
Dotierung auch die elektrische Leitfähigkeit dieser Halbleiter.
Für einen entsprechenden Peltierübergang kann einerseits
ndotiertes SiGe, n-dotiertes BiTeSn oder n-dotiertes BiSbTe
eingesetzt werden und für die andere Seite des
Peltierübergangs können halbleitende Materialien, wie p-dotiertes SiGe,
p-dotiertes BiTeSn oder p-dotiertes BiSbTe verwendet werden.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungsbauteils mit
stromführender Wärmesenke, die mindestens ein Peltierelement
aufweist, umfasst folgende Verfahrensschritte:
Zunächst wird eine Wärmesenke aus mindestens einem
Peltierelement mit zwei Endflächen hergestellt, wobei das
Peltierelement einen kühlenden und einen wärmenden
Peltierübergang aufweist. Anschließend wird ein Leistungshalbleiterchip
auf dem kühlenden Peltierübergang des Peltierelementes
positioniert. Dazu kann ein isolierender Kleber eingesetzt
werden. Nachdem der Leistungshalbleiterchip auf dem kühlenden
Peltierübergang positioniert ist, wird eine der Endflächen
des Peltierelements mit einer stromführenden Elektrode des
Leistungshalbleiterchips verbunden und anschließend die
zweite Endfläche des Peltierelementes mit einer
Außenanschlussfläche eines Schaltungsträgers, der sowohl den
Leistungshalbleiterchip als auch die Wärmesenke trägt, verbunden.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass herkömmliche
Technologien zur Herstellung eines derartigen Leistungsbauelements
mit aktiv kühlender Wärmesenke eingesetzt werden können, ohne
dass zusätzliche Anlagen erforderlich wären. Lediglich die
Struktur und die stoffliche Zusammensetzung der Wärmesenke
ist entsprechend den Erfordernissen zur Schaffung von
Peltierelementen anzupassen. Mit diesem Verfahren werden
elektronische Leistungsbauteile geschaffen, die nicht nur passiv
durch ihre Wärmesenke gekühlt werden, sondern ihre
Kühlwirkung ist aktiv durch die Stromführung des Leistungsbauteils
geregelt.
Vor dem Positionieren eines Leistungshalbleiterchips auf dem
kühlenden Peltierübergang des Peltierelementes wird die
Wärmesenke in einem Wärmeübergangsbereich zu dem
Leistungshalbleiterchip mit einer elektrisch isolierenden, wärmeleitenden
Schicht abgedeckt. Umgekehrt kann auch vor dem Positionieren
der Leistungshalbleiterchip in seinem Wärmeübergangsbereich
mit einer entsprechenden elektrisch isolierenden und
wärmeleitenden Schicht bedeckt sein, so dass sich eine elektrische
Isolation der Wärmesenke erübrigt. Ein besonderer Vorteil ist
es deshalb, wenn die Rückseite eines Leistungshalbleiterchips
auf dem kühlenden Peltierübergang des Peltierelements
positioniert werden soll, dass diese Rückseite des
Halbleiterchips beispielsweise mit einer elektrisch isolierenden
Siliziumnitrid- oder Siliziumoxidschicht bedeckt wird, die mit
einer Dicke im Mikrometerbereich eine ausreichende
elektrische Isolierung schafft und andererseits die Wärmeleitung im
Wärmeübergangsbereich nicht wesentlich beeinträchtigt.
Das elektrische Verbinden der einen Endfläche des
Peltierelementes mit einer stromführenden Elektrode des
Leistungshalbleiterchips kann mittels Bondtechnik erfolgen. Dazu wird in
einem Schaltungsträger, der sowohl den
Leistungshalbleiterchip als auch die stromführende Wärmesenke trägt, ein
Durchkontakt vorgesehen, der auf der Oberseite des
Schaltungsträgers eine Kontaktanschlussfläche aufweist, die über einen
Bonddraht mit einer Kontaktfläche des Halbleiterchips
verbunden sein kann. Der wärmende Peltierübergang des
Peltierelementes, der beabstandet von dem Wärmeübergangsbereich des
Leistungshalbleiterchips angeordnet wird, kann in ähnlicher
Weise über einen Durchkontakt mit einem Außenanschluss des
Leistungshalbleiterchips verbunden werden, so dass der zu
schaltende oder zu verstärkende Strom gezwungen wird, durch
die Wärmesenke beziehungsweise durch das Peltierelement zu
fließen.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von
Leistungsbauteilen, deren Außenkontakte als Peltierelemente strukturiert
sind, weist folgende Verfahrensschritte auf: Zunächst wird
ein Nutzen mit mehreren Bauteilpositionen für
Leistungsbauteile hergestellt. Die Bauteilpositionen weisen jeweils einen
Leistungshalbleiterchip auf, welcher in einer
Kunststoffgehäusemasse eingebettet ist. Der Nutzen weist seinerseits eine
Unterseite auf, die von einer Lötstopplackschicht mit
Öffnungen bedeckt ist, wobei in den Öffnungen Außenkontaktflächen
für jede der Bauteilpositionen angeordnet sind. Nach dem
Herstellen eines derartigen Nutzens mit entsprechenden
Außenkontaktflächen auf seiner Unterseite wird diese Unterseite
verspiegelt, wobei die Lötstopplackschicht und die
Außenkontaktflächen mit einer Metallschicht verspiegelt werden. Auf
diesen Metallspiegel wird eine strukturierte Schutzmaske unter
Freilassen der Bereiche der Außenkontaktflächen aufgebracht.
Anschließend kann zunächst Kupfer, Nickel oder Eisen auf den
Bereichen der Außenkontaktflächen abgeschieden werden, um
eine Metallkomponente eines Peltierelementes zu bilden. Danach
wird darauf Konstantan abgeschieden, das die obenerwähnte
Zusammensetzung aufweist. Damit ist der kühlende
Peltierübergang geschaffen und anschließend wird wieder Kupfer, Nickel
oder Eisen auf dem Konstantanmaterial abgeschieden, so dass
der sich erwärmende Peltierübergang entsteht.
Diese Abscheidungen werden jeweils auf die Bereiche der
Außenkontaktflächen durch die strukturierte Schutzmaske
begrenzt. Somit entstehen Außenkontakte für das
Leistungsbauteil, die aufgrund ihrer Strukturierung eine aktive Kühlung
zumindest der Außenkontaktflächen des elektronischen Bauteils
bewirken und damit einen hohen Anteil an Verlustwärme
ableiten können. Um das Leistungsbauteil fertig zu stellen, wird
als nächstes die strukturierte Schutzmaske entfernt,
anschließend die Verspiegelungsschicht entfernt und schließlich
ein Trennen des Nutzens zu einzelnen Leistungsbauteilen
durchgeführt.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass die elektronischen
Leistungsbauteile nicht als Einzelstücke herzustellen sind,
sondern dass bei dem Herstellen eines Nutzens eine Vielzahl
von Leistungsbauteilen gleichzeitig mit Außenkontakten als
Wärmesenken, die zusätzlich bei Stromdurchfluss das Bauteil
aktiv kühlen, entstehen. Das Verspiegeln der
Lötstopplackschicht und der Außenkontaktflächen ist erforderlich, falls
die Abscheidung der Materialien für die Peltierelemente
galvanisch oder elektrolytisch durchgeführt wird. Dazu ist
lediglich eine äußerst dünne Metallschicht erforderlich, die
mittels Aufdampftechnik oder Sputtertechnik aufgebracht
werden kann. Die galvanische oder elektrolytische Abscheidung
der Außenkontakte in den Öffnungen der Schutzmaske hat den
Vorteil, dass derartige Schichten äußerst kompakt und
zuverlässig herstellbar sind.
Das Aufbringen einer strukturierten Schutzmaske unter
Freilassung der Bereiche der Außenkontaktflächen ist in jedem
Fall erforderlich, um Außenkontakte als Wärmesenken mit
aktiven Peltierelementen auszustatten. Ein Verfahren zur
Schaffung einer derartigen strukturierten Schutzmaske auf der
Rückseite oder Unterseite des Nutzens ist die
Photolithographie. Eine andere Möglichkeit eine solche strukturierte
Schutzmaske herzustellen ist die Drucktechnik, wobei sowohl
ein Schablonendruck als auch ein Siebdruck möglich sind. Die
Drucktechnik hat den Vorteil, dass sie für die
Massenfertigung geeignet ist und weniger komplexe Apparaturen benötigt
als die Photolithographie.
Die Abscheidung kann auch mittels einer stromlosen chemischen
Abscheidung von Materialien für Peltierelemente erfolgen. In
diesem Fall ergibt sich der Vorteil, dass die Schritte der
Verspiegelung der Lötstopplackschicht und der
Außenkontaktflächen sowie das spätere Entfernen dieser
Verspiegelungsschicht entfallen können.
Das Entfernen der strukturierten Schutzmaske nach der
Herstellung der Außenkontakte in Form von Peltierelementen kann
durch Veraschung der Schutzmaske in feinem Plasmaofen erfolgen
oder durch Auflösen der strukturierten Schutzmaske in einem
Lösungsmittel durchgeführt werden. Falls erforderlich, kann
das Entfernen der Verspiegelungsschicht mittels Plasmaätzen
erfolgen, ohne die Außenkontakte schützen zu müssen, zumal
die Dicke der Verspiegelungsschicht äußerst gering im
Vergleich zur Dicke der Außenkontakte ist.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass elektronische
Bauelemente und Bauteile insbesondere in der Leistungselektronik im
Betrieb hohe Strombelastungen zeigen, womit eine starke
Wärmeentwicklung verbunden ist. Diese Wärme ist unerwünscht und
kann bis zur Zerstörung des Bauteils, wie oben ausgeführt,
führen. Passive Kühlungsmaßnahmen beschränken sich bisher auf
entsprechende Wärmesenken, die in das Bauteil eingebaut
werden können, wobei durch eine hohe Wärmekapazität und damit
ein großes Volumen der Wärmesenke oder durch entsprechend
hohe Wärmeleitfähigkeit die Wärmesenke optimiert werden kann.
Eine aktive Kühlung des Bauteils mittels Gebläsen sowie
Vergrößerung der Oberfläche der Wärmesenke durch Kühlrippen, die
dann ihrerseits einer bewegten Luft ausgesetzt werden können,
erfordern zusätzliche Apparaturen. Das gilt auch für externe
Anordnungen von Peltierelementen mit entsprechender externer
Stromversorgung. Das heißt für aktive Kühlungen, sei es durch
Gebläse oder sei es durch Peltierelemente, sind getrennte
Apparaturen und getrennte Stromversorgungen bisher
erforderlich.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird hingegen die zur
Kühlung des Bauelements notwendige Kühlleistung durch ein
Peltierelement erbracht, das integraler Bestandteil des
Leistungsbauteils ist, indem das Peltierelement mit dem Strom
betrieben wird, welcher ohnehin zum Betreiben des
Leistungsbauteils erforderlich ist. Der erhöhte Widerstand gegenüber
Wärmesenken aus Kupfer, die ein Peltierelement darstellt und
somit in den Stromkreis eingebaut wird, ist vernachlässigbar
im Verhältnis zu den Widerständen, die aufgrund der geringen
Querschnitte der Leiterbahnen innerhalb des Leistungsbauteils
vorhanden sind. Da jedoch die Kühlwirkung eines
Peltierelementes von der Stromrichtung abhängig ist, wird die Erfindung
vorzugsweise für Leistungsbauteile, die mit Gleichstrom
betrieben werden, eingesetzt.
Die Kühlleistung ist proportional zum Strom, welcher die
unerwünschte Erwärmung des Bauelements verursacht. Somit wird
ein selbstregelndes System für das Leistungsbauteil
geschaffen, so dass eine hohe Kühlleistung nur dann erbracht werden
muss, wenn ein hoher Strom und damit eine starke Erwärmung im
Leistungsbauteil vorliegt. Das Kühlsystem hat den weiteren
Vorteil, dass es keine äußere Stromversorgung benötigt und
dass es räumlich gut an den kritischen Stellen des
Leistungsbauteils vorgesehen werden kann, an denen Wärme entsteht.
Somit kann durch aktive Kühlung, die für Außenkontakte und/oder
die Wärmesenke vorgesehen ist, eine kleinere Ausführungsform
der auf diese Weise gekühlten Leistungsbauteile erwartet
werden. Somit wird mit dieser Erfindung der für die
Wärmedissipation verantwortliche Strom zur Kühlung des
Leistungsbauteils eingesetzt.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsformen mit Bezug
auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein
Leistungsbauteil einer ersten Ausführungsform der
Erfindung,
Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein
Leistungsbauteil einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung,
Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein
Leistungsbauteil einer dritten Ausführungsform der
Erfindung,
Fig. 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein
Leistungsbauteil einer vierten Ausführungsform der
Erfindung.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein
Leistungsbauteil 1 einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
Das Bezugszeichen 2 kennzeichnet eine Wärmesenke, die aus
drei Materialbereichen besteht, einem ersten Materialbereich
20, der ein Material A aufweist, einem zweiten
Materialbereich 21, der ein Material B aufweist und einem
Materialbereich 22, der wieder das Material A aufweist. Diese drei
Materialbereiche bilden eine Wärmesenke 2 für den
Leistungshalbleiterchip 3. Das Bezugszeichen 4 kennzeichnet eine
Stromzuführung, über die der Strom in Pfeilrichtung F von dem
Leistungshalbleiterchip 3 kommend durch die drei
Materialbereiche 20, 21 und 22 der Wärmesenke fließt und über die
Stromzuführung 4 zu einer Stromsenke abgeführt wird.
Das Bezugszeichen 5 kennzeichnet einen Wärmeübergangsbereich
des Halbleiterchips 3, über den die in dem
Leistungshalbleiterchip 3 entstehende Verlustwärme an die Wärmesenke 2
abgegeben wird. Orthogonal zu dem Wärmeübergangsbereich 5 ist der
kühlende Peltierübergang 6 angeordnet, der sich zwischen den
Materialien A und B in der vorgegebenen Stromrichtung in
Pfeilrichtung F ausbildet, wobei eine untere Temperatur Tu
erreicht wird.
Im wesentlichen wird bei einer derartigen Gestaltung einer
Wärmesenke 2 Energie von dem Peltierübergang 6 zu dem
Peltierübergang 10 transportiert, wobei die pro Zeiteinheit
transportierte Wärmemenge proportional dem Strom in
Pfeilrichtung F ist. Der materialabhängige
Proportionalitätskoeffizient wird Peltierkoeffizient genannt. Wird ein
Peltierelement aus derartigen drei Materialbereichen von einem
durch ein Leistungsbauteile sowieso fließenden Strom
betrieben, so hat man bei dem kühlenden Peltierübergang 6 ein
Kühlsystem, welches sich selbst regelt, zumal sich eine hohe
Kühlleistung aufgrund der Proportionalität zwischen
transportierter Wärmemenge pro Zeiteinheit und Strom bei hohem Strom
einstellt, der eine hohe Wärmedissipation im Bauteil
verursacht.
Die Energiebilanz ergibt im einfachsten Fall bei gleicher
Wärmeleitfähigkeit □ sowie gleicher elektrischer
Leitfähigkeit σ der Materialien A und B der drei Materialbereiche der
Wärmeleitungssenke eine maximal erreichbare
Temperaturdifferenz von
□Tmax = (To - Tu)max = (□AB)2 σ/□,
wobei □AB der Peltierkoeffizient in Abhängigkeit der
Materialien A und B ist.
Bei dieser ersten Ausführungsform der Erfindung wurde als
Material A in den Bereichen 20 und 22 der Wärmesenke 2 eine
Kupferlegierung eingesetzt mit einem Anteil an Kupfer von
mindestens 99,9 Atom-%. In dem zweiten Materialbereich 21 der
Wärmesenke 2 wurde als Material B Konstantan mit 50 Atom-%
Kupfer, 49 Atom-% Eisen und 1 Atom-% Mangan eingesetzt und
dabei der kühlende Peltierübergang 6 etwa mittig unter dem
Leistungshalbleiterchip 3 angeordnet.
Der Leistungshalbleiterchip 3 ist in dieser ersten
Ausführungsform der Erfindung ein Leistungstransistor mit drei
Elektroden, einer Steuerelektrode als gemeinsamer
Gateanschluss oder Basisanschluss, die nicht gezeigt ist, eine
Emitter- oder Sourceelektrode, die über einen Bonddraht oder
über ein Bondband 24 mit einer Schaltungsstruktur 25 auf
einem Schaltungsträger 11 verbunden ist. Die dritte Elektrode
ist eine Drain- oder Kollektorelektrode, die über einen
Bonddraht oder ein Bondband 26, einen Durchkontakt 27 durch die
Trägerplatte 11 und über die drei Materialbereiche 20, 21 und
22 mit einem weiteren Durchkontakt 28 durch die Trägerplatte
11 mit einer Außenanschlussfläche 15 auf der Trägerplatte 11
verbunden ist.
Auch die Außenanschlüsse für die übrigen beiden Elektroden
dieses Leistungstransistors ragen mit Hilfe der
Schaltungsstruktur 25 zur gleichen Seite des elektronischen
Leistungsbauteils aus dem Gehäuse heraus, wie der Drain-
beziehungsweise Kollektoranschluss des Leistungsbauteils 1. Jedoch sind
diese Anschlüsse in der hier schematischen
Querschnittsansicht nicht zu sehen. Bei dieser Ausführungsform der
Erfindung ist die Wärmesenke 2 stromführend und elektrisch
leitend. Um keine parasitären Ströme zuzulassen und eine aktive
Kühlung im Bereich des kühlenden Peltierübergangs 6 zu
erreichen, ist der Leistungshalbleiterchip 3 durch eine elektrisch
isolierende und wärmeleitende Schicht 8 von der Wärmesenke
elektrisch isoliert. Die Trägerplatte 11 weist somit in einer
Aussparung den Leistungshalbleiterchip 3 und auf ihrer
Unterseite die als Peltierelement 12 wirkende Wärmesenke 2 auf.
Die für eine wirksame Kühlung erforderlichen Stromstärken im
Bereich von 3 bis 30 A und Spannungen im Bereich von 1 bis 13
V werden durch das Leistungsbauelement 1 zur Verfügung
gestellt, so dass eine selbstgeregelte Kühlung durch den
kühlenden Peltierübergang 6 bei dieser Ausführungsform der
Erfindung gewährleistet ist.
Obwohl der Strom zusätzlich Joule'sche Wärme dissipiert, ist
dieser Effekt einer Aufwärmung der stromführenden Wärmesenke
vernachlässigbar, da der Querschnitt der Wärmesenke als
Peltierelement mehrere Größenordnungen größer ist als der
Querschnitt der Leiterbahnen sowohl auf dem Chip als auch auf dem
Schaltungsträger, der beispielsweise in dieser
Ausführungsform eine Leiterplatte ist.
Der Peltiereffekt wird größer je niedriger die
Wärmeleitfähigkeit der Materialien A und B ist und steigt mit der
elektrischen Leitfähigkeit, wobei entscheidend ist, dass die
beiden Materialien A und B unterschiedliche elektronische
Austrittsarbeiten aufweisen. Während in der Ausführungsform der
Fig. 1 Metalle eingesetzt werden, um den Peltiereffekt zu
nutzen, ist es auch möglich, unterschiedliche Halbleiter zu
verwenden, wobei der Peltierkoeffizient noch zusätzlich durch
entsprechend hohe Dotierung optimiert werden kann. Dabei
werden für das Material A n-dotierte Halbleiter, wie n-dotiertes
SiGe, n-dotiertes BiTeSn oder n-dotiertes BiSbTe eingesetzt.
Die N-Dotierung dieser Halbleiter kann durch Zugabe oder
Verunreinigung mit Antimon erreicht werden. Als Material B
können p-dotierte Halbleiter eingesetzt werden, wie p-dotiertes
SiGe, p-dotiertes BiTeSn oder p-dotiertes BiSbTe. Die P-
Dotierung wird durch entsprechend hohe Borverunreinigung
beziehungsweise Bordotierung erreicht.
Das in Fig. 1 gezeigte Leistungsbauteil kann durch eine
Kunststoffgehäusemasse 16 geschützt werden, deren Begrenzung
durch eine gestrichelte Linie 29 markiert ist. Mit dieser
Kunststoffgehäusemasse werden lediglich die Bondverbindungen
24 und 26, der Leistungshalbleiterchip 3 sowie die
Schaltungsstruktur 25 auf dem Schaltungsträger 11 geschützt. Die
auf der Unterseite des Schaltungsträgers 11 angeordnete
Wärmesenke 2 bildet gleichzeitig die Unterseite und Außenseite
des Leistungsbauteils 1, so dass das Peltierelement der
Umgebungskühlung ausgesetzt ist. Damit wird erreicht, dass
ständig Wärme vom wärmebildenden Peltierübergang 10 in die
Umgebung abgegeben werden kann. Die Kühlung dieses
Leistungsbauteils, das eine stromführende, als Peltierelement
ausgebildete Wärmesenke 2 aufweist, ist wesentlich intensiver als eine
einfache passive Wärmesenke, zumal hier aktiv im Bereich des
Wärmeübergangs 5 zwischen Leistungshalbleiterchip 3 und
Wärmesenke 2 der kühlende Peltierübergang 6 angeordnet ist.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein
Leistungsbauteil 1 einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Komponenten mit gleichen Funktionen wie in Fig. 1 werden mit
gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra
erörtert.
Während in der ersten Ausführungsform der Erfindung der
kühlende Peltierübergang 6 vertikal beziehungsweise orthogonal
zum Wärmeübergangsbereich 5 des Leistungshalbleiterchips 3
angeordnet ist, wird dieser kühlende Peltierübergang 6 in der
Ausführungsform der Fig. 2 parallel zum
Wärmeübergangsbereich 5 des Leistungshalbleiterchips 3 angeordnet. Die drei
Materialbereiche 20, 21 und 22 sind in dieser zweiten
Ausführungsform der Erfindung vertikal übereinandergestapelt.
Während der wärmeerzeugende Peltierübergang 10 unmittelbar über
den Materialbereich 22 von der Umgebungsluft gekühlt werden
kann, liegt der kühlende Peltierübergang 6 unmittelbar
parallel und unterhalb des Wärmeübergangsbereichs 5 des
Leistungshalbleiterchips 3.
Die elektrische Beschaltung ist analog zum ersten
Ausführungsbeispiel und wird hier nicht extra erörtert. Das gleiche
gilt für die Zusammensetzung der Materialien A und B, die zur
Vermeidung von Wiederholungen auch hier weggelassen wird. Die
Isolationsschicht 8 zwischen dem Leistungshalbleiterchip 3
und der stromführenden Wärmesenke 2 in Form eines
Peltierelementes mit aktiven Peltierübergängen 6 und 10 ist äußerst
dünn gestaltet und weist Ormocere auf, die eine hohe
Durchschlagsfestigkeit für elektrische Spannungen aufweisen und
folglich zur elektrischen Isolierung eine äußerst geringe
Dicke von wenigen Mikrometern erfordern.
Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein
Leistungsbauteil 1 einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden
Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und
nicht extra erörtert.
In dieser Ausführungsform der Erfindung wird eine Wärmesenke
2 durch mehrere hintereinandergeschaltete Peltierelemente
verwirklicht. Zwischen den Peltiermaterialien A und B ist ein
elektrisch leitendes Koppelmaterial C angeordnet, das keinen
direkten Beitrag zur Peltierkühlung oder Peltiererwärmung
liefert. Dieses Koppelmaterial kann durch aufgelötete
Kupferstege oder Kupferplatten gebildet werden. Dabei sind die
Materialien A und B der Peltierelemente so angeordnet, dass in
der angegebenen Stromrichtung F die kühlenden
Peltierübergänge 6 in unmittelbarer Nähe des Leistungshalbleiterchips
angeordnet sind, während die wärmeerzeugenden Peltierübergänge 10
von dem Leistungshalbleiterchip 3 beabstandet angeordnet
sind.
Aufgrund der Hintereinanderschaltung von Peltierelementen 12
ist die Kühlwirkung dieser Anordnung größer als bei den
vorhergehenden Beispielen, jedoch ist der technische Aufwand zur
Realisierung eines derartigen Bauteils der dritten
Ausführungsform der Erfindung entsprechend größer. Auch in dieser
Ausführungsform der Erfindung kann der
Leistungshalbleiterchip 3 mit den Bondverbindungen 23 und der Schaltungsstruktur
25 auf der Trägerplatte 11 von einer Kunststoffgehäusemasse
16 umschlossen sein, deren Kontur mit der gestrichelten Linie
29 angedeutet wird. Die Endflächen 13 und 14 der
hintereinandergeschalteten Peltierelemente 12 sind wieder, wie in den
vorhergehenden Figuren mit Durchkontakten durch den
Schaltungsträger 11 verbunden, so dass der Strom durch die
Wärmesenke 2 mit den Peltierelementen strömen muss.
Fig. 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein
Leistungsbauteil 1 einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden
Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und
nicht extra erörtert.
Fig. 4 zeigt einen Leistungshalbleiterchip 3 mit
Außenkontaktflächen 19, die auf der Unterseite des
Leistungshalbleiterchips 3 angeordnet sind. Die Außenkontaktflächen 19 sind
in Öffnungen 18 einer Lötstopplackschicht 17 angeordnet.
Jeder Außenkontakt 9 ist in dieser Ausführungsform der
Erfindung als Wärmesenke und gleichzeitig als Peltierelement
ausgebildet. Dazu weisen die Außenkontakte 9 drei
Materialbereiche 20, 21 und 22 auf, die sich aus dem gleichen Materialien
zusammensetzen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispiele
1 bis 3.
Ein derartiger, durch aktiv kühlende Außenkontakte intensiv
gekühlter Leistungshalbleiterchip 3 kann unmittelbar auf
einen Schaltungsträger 11 mit entsprechenden
Außenanschlussflächen 15 aufgebracht werden. Die sich erwärmenden
Peltierübergänge 10 der Außenkontakte 9 liegen dabei in unmittelbarer
Nähe von wärmeabführenden Schaltungsstrukturen 25 oder
wärmeabführenden, metallischen Durchkontakten 27, die wiederum
vorgesehen sind, um den Leistungshalbleiterchip mit Strom zu
versorgen und entsprechend zu steuern. Die in Fig. 4
gezeigten drei Außenkontakte können stellvertretend für einen
Leistungstransistor als Peltierelemente aufgebaut sein, wobei
die große Ströme führenden Emitter- und Kollektorelektroden
beziehungsweise Source- und Drainelektroden durch die
entsprechenden Außenkontakte 9 mittels aktiv kühlenden
Peltierübergängen gekühlt werden.
Bezugszeichenliste
1 Leistungsbauteil
2 Wärmesenke
3 Leistungshalbleiterchip
4 Stromzuführung
5 Wärmeübergangsbereich
6 kühlender Peltierübergang
7 passive Rückseite
8 elektrisch isolierende Schicht
9 Außenkontakte
10 erwärmender Peltierübergang
11 Schaltungsträger
12 Peltierelement
13, 14 Endflächen des Peltierelementes
15 Außenanschlussfläche
16 Kunststoffgehäusemasse
17 Lötstopplackschicht
18 Öffnung in Lötstopplackschicht
19 Außenkontaktflächen
20, 21, 22 Materialbereiche eines Peltierelementes einer
Wärmesenke
23 Bondverbindung
24 Bonddraht oder Bondband
25 Schaltungsstruktur
26 Bonddraht oder Bondband
27, 28 Durchkontakte
29 gestrichelte Linie
A Material A
B Material B
C Material C
F Pfeilrichtung des Stromflusses
To Temperatur des sich erwärmenden Peltierübergangs
Tu Temperatur des kühlenden Peltierübergangs
