DE10049723A1 - Anordnung von Leistungshalbleitern zum Steuern eines elektrischen Energieflusses - Google Patents

Anordnung von Leistungshalbleitern zum Steuern eines elektrischen Energieflusses

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Markus Thoben
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Abstract

Bei der vorliegenden Anordnung von Leistungshalbleitern zum Steuern eines elektrischen Energieflusses, umfassend wenigstens einen Halbleiter-Chip (2), wenigstens zwei Substrate, die jeweils auf der Ober- und Unterseite des Halbleiter-Chips angeordnet sind, und Stromschienen (6), die jeweils zwischen dem Halbleiter-Chip (2) und dem Substrat (4) angeordnet sind, sind zwei elektrisch isolierte Oberflächen (12) auf der jeweils dem Halbleiter-Chip (2) abgewandten Seite der Substrate (4) zur Abführung von Verlustwärme sowie für die äußeren elektrischen Anschlüsse im wesentlichen flächige Stromschienen (6) vorgesehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung von Leistungshalbleitern zum Steuern eines elektrischen Energieflusses, umfassend wenigstens einen Halbleiter-Chip, wenigstens zwei Substrate, die jeweils auf der Ober- und Unterseite des Halbleiter-Chips angeordnet sind, und Stromschienen, die jeweils zwischen dem Halbleiter-Chip und dem Substrat angeordnet sind.
Leistungshalbleiter für Anwendungen mit geringer Leistung werden fertigungstechnisch bedingt gewöhnlich als Halbleiter- Chips realisiert. Zur Darstellung einer gewünschten Funktion reicht vielfach der Einsatz eines einzelnen Halbleiter-Chips aus, der jedoch zum Schutz gegen Umwelteinflüsse und mechanische Beanspruchungen in einem Gehäuse unterzubringen ist. Die elektrische Kontaktierung eines gehäusten Leistungshalbleiterbauelements erfolgt dabei über herausgeführte Anschlüsse, die zumeist lötbar ausgeführt sind.
Der für die Abfuhr der beim Betrieb auftretenden Verlustwärme erforderliche thermische Kontakt wird über eine gut wärmeleitfähige Bodenplatte erreicht. Diese Bodenplatte kann gegenüber den elektrischen Anschlüssen isoliert oder nicht isoliert ausgeführt sein. Das Gehäuse derartiger Leistungshalbleiter wird durch Umspritzen von Kunststoff gebildet und ist daher sehr kostengünstig darstellbar.
Leistungshalbleiterbauelemente für Anwendungen mit höherer Leistung enthalten mehrere Halbleiter-Chips, die elektrisch und thermisch parallel betrieben werden. Grund hierfür ist die verminderte Ausbeute bei der Herstellung größerer Halbleiter- Chips. Leistungshalbleiterbauelemente für höhere Leistungen werden daher als Modul realisiert, die außer der Parallelschaltung von Halbleiter-Chips einer Art noch zusätzlich weitere Halbleiter-Chips einer anderen Art enthalten können, z. B. IGBT und Dioden. Ferner verfügen solche Leistungshalbleitermodule auch über eine integrierte elektrische Isolation zwischen den elektrischen Anschlüssen und der Bodenplatte, über die die im Betrieb auftretende Verlustwärme abgeführt wird.
Die Herstellung von Leistungshalbleitermodulen ist relativ aufwändig, da hierzu eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahrensschritte erforderlich ist. Daher orientieren sich bei einigen Ausführungsformen von Leistungshalbleitermodulen die Bauteilkosten weniger an den darin enthaltenen Halbleiter- Chips, sondern an der Bauform des Gehäuses.
Während des Betriebes von Halbleiter-Chips treten Verluste auf, die in Form von Wärme aus dem Modulaufbau mittels einer geeigneten Kühleinrichtung abzuführen sind. Die Kühlung von Halbleiter-Chips gilt als besonders kritisch, da bestimmte Maximalwerte der Temperatur nicht überschritten werden dürfen. Außerdem wird durch die Höhe der Temperaturschwankungen die Brauchbarkeitsdauer beeinflusst. Zur Erfüllung der Kühlanforderungen werden die Leistungshalbleitermodule auf Kühlern für Luft- oder Flüssigkühlung angeordnet.
Dem Vorteil der einfachen Montage von Leistungshalbleitermodulen stehen jedoch Nachteile entgegen, die bei einigen Anwendungen von entscheidender Bedeutung sind: Durch die Trennfläche zwischen Leistungshalbleitermodul und Kühler wird der Wärmetransport behindert, wodurch sich an dieser Stelle unerwünschte signifikante Temperaturdifferenzen ausbilden.
Außerdem ist die Fläche der Bodenplatte von herkömmlichen Leistungshalbleitermodulen nur zu einem geringen Anteil mit Halbleiter-Chips bedeckt, so dass bei einer Intensivierung der Kühlung relativ große und damit schlecht genutzte Kühleroberflächen erforderlich werden.
An den Anschlüssen des Leistungshalbleitermoduls erfolgt eine Einschnürung des Strompfades und die Bildung einer einen Flächeninhalt einschließenden Leiterschleife. Hierdurch wird beim Schließen des Stromkreises eine dem Leistungshalbleitermodul zuordenbare Teilinduktivität gebildet, die nach dem Induktionsgesetz bei gegebener Sperrfähigkeit die Schaltgeschwindigkeit oder die Spannungsausnutzung begrenzt. Durch den Montageaufwand verbietet sich der Einsatz von Standard- Leistungshalbleitermodulen für Anwendungen mit hohen Stückzahlen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung von Leistungshalbleitern zum Steuern eines elektrischen Energieflusses, umfassend wenigstens einen Halbleiter-Chip, wenigstens zwei Substrate, die jeweils auf der Ober- und Unterseite des Halbleiter-Chips angeordnet sind, und Stromschienen, die jeweils zwischen dem Halbleiter-Chip und dem Substrat angeordnet sind, anzugeben, bei der die oben hervorgehobenen Nachteile aus dem Stand der Technik weitgehend vermieden werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung von Leistungshalbleitern zum Steuern eines elektrischen Energieflusses, umfassend wenigstens einen Halbleiter-Chip, wenigstens zwei Substrate, die jeweils auf der Ober- und Unterseite des Halbleiter-Chips angeordnet sind, und Stromschienen, die jeweils zwischen dem Halbleiter-Chip und dem Substrat angeordnet sind, wobei gemäß der Erfindung zwei elektrisch isolierte Oberflächen auf der jeweils dem Halbleiter-Chip abgewandten Seite der Substrate zur Abführung von Verlustwärme sowie für die äußeren elektrischen Anschlüsse im wesentlichen flächige Stromschienen vorgesehen sind.
Durch die elektrisch isolierten Oberflächen zur Abführung von Verlustwärme wird der Wärmetransport gefördert, wodurch sich an dieser Stelle keine unerwünschten signifikanten Temperaturdifferenzen mehr ausbilden. Außerdem werden bei einer Intensivierung der Kühlung relativ große und damit schlecht genutzte Kühleroberflächen weitgehend vermieden. Zusätzliche Teilinduktivitäten, die nach dem Induktionsgesetz bei gegebener Sperrfähigkeit die Schaltgeschwindigkeit oder die Spannungsausnutzung begrenzen, werden nicht mehr gebildet. Auch der Montageaufwand für Standard-Leistungshalbleitermodule bei Anwendungen mit hohen Stückzahlen wird erheblich verringert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
Die Erfindung ist anhand mehrerer Ausführungsbeispiele in den Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Ausschnitt einer Anordnung von Leistungshalbleitern zum Steuern eines elektrischen Energieflusses in schematischer Darstellung; und
Fig. 2 die Anordnung gemäß Fig. 1 in einem Querschnitt.
Die Einzelteile eines erfindungsgemäß ausgeführten Halbleiteraufbaus unter Vermeidung der oben genannten Nachteile zeigt Fig. 1. Hierbei befinden sich die Halbleiter- Chips 2 zwischen zwei Substraten 4 angeordnet, die aus einem elektrisch isolierenden, gut wärmeleitfähigen Werkstoff bestehen. Die Halbleiter-Chips 2 stehen in thermischen Kontakt mit den jeweils benachbarten Substraten 4. Die Substrate 4 sind jeweils mit einer elektrisch isolierten Oberfläche 12 auf der jeweils dem Halbleiter-Chip (2) abgewandten Seite der Substrate (4) zur Abführung von Verlustwärme versehen.
Die äußeren elektrischen Anschlüsse des Halbleiteraufbaus bestehen aus flachen oder flächigen Stromschienen 6, wobei Stromschienen 6 hier auch als Leiterbahnen bezeichnet sein können. In Abhängigkeit von der Ausführungsform der verwendeten Halbleiter-Chips 2 umfasst eine Stromschiene 6 mehrere Flächen auf verschiedenen Höhenniveaus. Die flächigen Stromschienen 6 erstrecken sich vorzugsweise über den Rand der Substrate 4 hinaus, wodurch eine geeignete Herstellung der äußeren elektrischen Anschlüsse gegeben ist.
Zur Verminderung von unerwünschten induktiven Wirkungen werden die Stromschienen 6, in denen schnelle Stromänderungen erfolgen, so ausgeführt, dass Leiterschleifen mit möglichst kleinem Flächeninhalt gebildet werden.
Als Halbleiter-Chip 2 ist beispielsweise ein abschaltbarer Leistungshalbleiter vorgesehen.
Die Fertigung des Halbleiteraufbaus erfolgt unter Zuhilfenahme von vorgefertigten Substraten 4, auf denen Leiterbahnen angeordnet sind, die über den Rand der Substrate hinaus als Stromschienen 6 fortgesetzt sind. Die mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Halbleiter-Chips 2 und den Stromschienen 6 kann zum Beispiel durch eine Sinterverbindung realisiert werden.
Durch eine beidseitige Kontaktierung der Halbleiter-Chips 2 nach diesem Verfahren können für die Laststromanschlüsse Bond- Verbindungen vermieden werden. Hierdurch ist eine deutliche Steigerung der Zuverlässigkeit des Halbleiteraufbaus bei Wechselbeanspruchung gegeben. Gin eine elektrisch leitende Verbindung zwischen einer Ebene von Leiterbahnen bzw. Stromschienen 6 zu einer anderen Ebene, d. h. Stromschiene 6, herzustellen, werden aus Kupfer oder einem anderen Leiterwerkstoff Stege 8 eingefügt. Die Verbindung mit den Leiterbahnen erfolgt mit der gleichen Technik wie bei den Halbleiter-Chips 2.
Eine Seitenansicht der gefügten Einzelteile der Anordnung zeigt Fig. 2. Um einen Schutz der Halbleiter-Chips 2 gegen Umwelteinflüsse zu erreichen und die mechanische Stabilität des Aufbaus zu erhöhen, werden die verbleibenden Hohlräume zwischen den Substraten mit einer Vergussmasse 10 gefüllt.
In einer nicht weiter dargestellten Ausführungsform sind die Halbleiter-Chips 2 in einer Zweigpaarschaltung oder in einer Steller-Konfiguration angeordnet. Zum Zwecke der Parallelschaltung ist eine Anreihbarkeit der Anordnung von Leistungshalbleitern vorgesehen. Die Halbleiter-Chips (2) sind dabei in gleicher oder entgegengesetzter Orientierung zwischen den Substraten angeordnet.
Der besondere technische Vorteil dieses Halbleiteraufbaus besteht in einer stark reduzierten Teilinduktivität in Stromkreisen mit schneller zeitlicher Änderung der Stromstärke. Der Wert der Teilinduktivität ist gegenüber herkömmlichen Halbleiteraufbauten um etwa eine Größenordnung kleiner.
Weitere Vorteile sind die Möglichkeit einer beidseitigen Kühlung sowie die effizientere Nutzung der Substratoberfläche durch einen vergrößerten Bedeckungsgrad mit Halbleiter-Chips 2. Als wirtschaftlicher Vorteil ist die Fertigbarkeit mit nur wenigen Verfahrensschritten sowie die geringe Anzahl der erforderlichen Werkstoffe hervorzuheben.
Eine weitere nicht näher dargestellte vorteilhafte Ausgestaltung der Kühlung des Halbleiteraufbaus, bei dem beide äußere Oberflächen der Substrate 4 an der Wärmeabfuhr beteiligt werden, kann dadurch erfolgen, dass eine Seite des Halbleiteraufbaus mit einer die Oberfläche vergrößernden Struktur versehen, und die andere Seite mit einem Werkstück großer Wärmekapazität in thermischen Kontakt gebracht wird.
Die Seite, die die Oberflächenstruktur trägt, wird zum Zwecke der Kühlung von einem Kühlmittel angeströmt. Auf der anderen Seite erfolgt eine wirksame Vergrößerung der Wärmekapazität, wodurch im Falle einer Kurzzeitbeanspruchung Wärmeenergie gespeichert werden kann. In Zeitabschnitten geringerer Beanspruchung kann die gespeicherte Wärme über die aktiv gekühlte Seite durch den Halbleiteraufbau hindurch abgeben werden. Infolge der direkten Flüssigkühlung mittels einer die Oberfläche vergrößernden Struktur wird ein sehr geringer stationärer Wärmewiderstand der Anordnung erreicht. Ferner ist ein hoher Bedeckungsgrad der Substratoberfläche mit Halbleiter-Chips möglich, so dass diese Struktur nur auf einer kleinen Fläche vorzusehen ist. Eine großflächigere Struktur würde hinsichtlich der Kühlwirkung keine weiteren Vorteile erbringen, da bei der anzunehmenden hohen Intensität der Kühlung keine nennenswerte Spreizung des Wärmeflusses mehr auftritt.
Die zusätzliche Wärmekapazität beeinflusst den Verlauf des transienten Wärmewiderstands vorteilhaft. Dieser ist bei Anwendungen mit zeitlich veränderlichen Lastbedingungen und möglichen kurzzeitigen Überlastungen von großer Bedeutung für die Bemessung des Halbleiteraufwands.

Claims (10)

1. Anordnung von Leistungshalbleitern zum Steuern eines elektrischen Energieflusses umfassend
wenigstens einen Halbleiter-Chip (2),
wenigstens zwei Substrate (4), die jeweils auf der Ober- und Unterseite des Halbleiter-Chips (2) angeordnet sind, und
Stromschienen (6), die jeweils zwischen dem Halbleiter-Chip (2) und dem Substrat (4) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwei elektrisch isolierte Oberflächen (12) auf der jeweils dem Halbleiter-Chip (2) abgewandten Seite der Substrate (4) zur Abführung von Verlustwärme sowie für die äußeren elektrischen Anschlüsse im wesentlichen flächige Stromschienen (6) vorgesehen sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleiter-Chip (2) ein abschaltbarer Leistungshalbleiter vorgesehen ist, der jeweils auf seiner Ober- und Unterseite in thermischen Kontakt mit den gut wärmeleitfähigen, elektrisch isolierenden Substraten (4) steht und dessen äußere elektrische Anschlüsse seitlich über die flächigen Stromschienen (6) herausgeführt sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen Stromschienen (6) für den Anschluss der Halbleiter-Chips (2) zur Herstellung der äußeren elektrischen Anschlüsse über den Rand des Substrats hinaus fortgesetzt sind.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine gegebenenfalls erforderliche elektrische Verbindung zwischen zwei Leiterebenen durch Stege (8) aus leitfähigem Werkstoff ausgeführt ist, die mit der gleichen Verbindungstechnik wie die Halbleiter-Chips (2) kontaktiert werden.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den Substraten verbleibenden Freiräume mit einer Vergussmasse (8) gefüllt sind.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiter-Chips 2 in einer Zweigpaarschaltung oder in einer Steller-Konfiguration angeordnet sind.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der Parallelschaltung eine Anreihbarkeit der Anordnung von Leistungshalbleitern vorgesehen ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiter-Chips (2) in gleicher oder entgegengesetzter Orientierung zwischen den Substraten angeordnet werden.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder beide Oberflächen (12) zur Abführung von Verlustwärme eine die Oberfläche (12) vergrößernde Struktur aufweisen, um durch Anströmen mit einem Kühlmittel eine effiziente Wärmeabfuhr zu erreichen.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche (12) zur Abführung von Verlustwärme ein die Wärmekapazität vergrößerndes Material trägt.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7932624B2 (en) 2006-02-17 2011-04-26 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Semiconductor module, and hybrid vehicle drive device including the same

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