DE10125697B4 - Power semiconductor module and method for manufacturing a power semiconductor module - Google Patents

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Abstract

Leistungshalbleitermodul
- mit aktiven Halbleiterbauelementen (5 bis 10) und elektrischen Anschlüssen zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterbauelemente (5 bis 10), die sich auf einer Trägeranordnung befinden, und
- mit einem Modulgehäuse (20), das durch Kunststoffumspritzen der aktiven Halbleiterbauelemente (5 bis 10) erzeugt ist, wobei
- die Trägeranordnung aus mehreren an einer Unterseite (25) des Modulgehäuses (20) angeordneten keramischen Trägerelementen (1, 2, 3) besteht, auf deren Oberflächen Leiterbahnen aufgebracht sind, und
- die Trägerelemente (1, 2, 3) vor dem Kunststoffumspritzen in verschiedenen Ebenen in einem derartigen Versatz angeordnet sind, der im fertigen Modulgehäuse (20) auftretende Verformungen zumindest an der Unterseite (25) des Modulgehäuses (20) kompensiert.

Figure DE000010125697B4_0000
The power semiconductor module
- With active semiconductor devices (5 to 10) and electrical connections for electrically contacting the semiconductor devices (5 to 10), which are located on a support assembly, and
- With a module housing (20), which is produced by plastic encapsulation of the active semiconductor devices (5 to 10), wherein
- The carrier assembly consists of a plurality of on a bottom (25) of the module housing (20) arranged ceramic support elements (1, 2, 3), are applied to the surfaces of conductor tracks, and
- The support elements (1, 2, 3) are arranged before the plastic injection molding in different levels in such an offset, the deformations occurring in the finished module housing (20) at least on the underside (25) of the module housing (20) compensated.
Figure DE000010125697B4_0000

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Leistungshalbleitermodule insbesondere niedriger Leistungsklassen, die ein durch Kunststoffumspritzen der aktiven Halbleiterbauelemente und elektrischen Anschlussverbindungen erzeugtes Kunststoffgehäuse aufweisen. Die aktiven Halbleiterbauelemente und elektrischen Anschlussverbindungen sind üblicherweise auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet, das als Träger für die Halbleiterbauelemente und elektrischen Anschlussverbindungen fungiert.The invention is in the field of power semiconductor modules, in particular of low power classes, which have a plastic housing produced by plastic encapsulation of the active semiconductor components and electrical connection connections. The active semiconductor components and electrical connection connections are usually arranged on a common substrate, which acts as a carrier for the semiconductor components and electrical connection connections.

Problematisch sind dabei allerdings die durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialien von Substrat, Halbleitermaterial und Kunststoff bedingten mechanischen Spannungen. Diesen Spannung sind oft weitere mechanische Spannungen überlagert, die aus dem Schrumpfen des für das Modulgehäuse verwendeten Kunststoffmaterials beim Aushärten resultieren.The problem here, however, are caused by different thermal expansion coefficients of the different materials of substrate, semiconductor material and plastic mechanical stresses. This stress is often superimposed on other mechanical stresses resulting from the shrinkage of the plastic material used for the module housing during curing.

Diese mechanischen Spannungen führen zu einer unerwünschten Deformation des Modulgehäuses, insbesondere zu Verwerfungen oder Durchbiegungen an den Gehäuseoberseiten und/oder Gehäuseunterseiten. Dies ist insbesondere dort nachteilig, wo eine Gehäuseseite zur Ableitung bauteilseitig entstehender Verlustwärme flächig an einem Kühlelement anliegen soll. Durch die Verwerfungen oder Durchbiegungen ist die angestrebte ebene Kontaktfläche des Gehäuses zum Kühlelement nicht mehr vorhanden und damit keine optimale Wärmeabfuhr und Kühlung mehr gewährleistet.These mechanical stresses lead to an undesirable deformation of the module housing, in particular to distortions or deflections on the housing top sides and / or housing undersides. This is particularly disadvantageous where a side of the housing to dissipate the component side heat loss should lie flat against a cooling element. Due to the distortions or deflections the desired flat contact surface of the housing to the cooling element is no longer available and thus no optimal heat dissipation and cooling more guaranteed.

Zur Lösung dieser Problematik ist es denkbar, ein zusätzliches, stabilisierendes Metallteil unterhalb der Trägeranordnung (gemeinsames Substrat) vorzusehen. Das stabilisierende Metallteil kann dort sowohl zu einer gleichmäßigen Wärmeverteilung (als sogenannter „Heatspreader‟) als auch zur Aufnahme der genannten mechanischen Spannungen dienen. Allerdings ist bei dieser Konstruktion eine zuverlässige elektrische Isolation zwischen dem Metallteil und den Halbleiterbauelementen erforderlich. Diese könnte durch eine erste dünne isolierende Kunststoffschicht unterhalb des Substrats realisiert werden. Diese isolierende Kunststoffschicht müsste zuerst angespritzt werden, bevor in einem weiteren Fertigungsschritt der Heatspreader mit angespritzt wird. Der Heatspreader erzeugt mit seiner äußeren Seite dann die Außenkontur des Gehäuses, die mit dem Kühlelement in thermischem Kontakt steht. Die Erzeugung einer möglichst dünnen, für die Isolation aber ausreichenden Kunststoffschicht zwischen Substrat und Heatspreader ist fertigungstechnisch anspruchsvoll.To solve this problem, it is conceivable to provide an additional, stabilizing metal part below the carrier arrangement (common substrate). The stabilizing metal part can serve there both to a uniform heat distribution (as a so-called "heat spreader") and for receiving the said mechanical stresses. However, in this construction, reliable electrical isolation between the metal part and the semiconductor devices is required. This could be realized by a first thin insulating plastic layer below the substrate. This insulating plastic layer would have to be sprayed on first, before the heat spreader is sprayed on in another production step. The heat spreader generates with its outer side then the outer contour of the housing, which is in thermal contact with the cooling element. The production of a very thin, but sufficient for insulation plastic layer between the substrate and Heatspreader is demanding manufacturing technology.

Aus der US 5 075 759 A ist eine Anordnung mit mehreren voneinander beabstandeten, elektrisch leitenden Anschlüssen, die flächig ausgebildet und an der Unterseite eines Kunststoffgehäuses angeordnet sind. Ein Leistungschip ist mit seiner Unterseite auf einem der Anschlüsse angeordnet und elektrisch mit diesem verbunden. Kontakte auf der Oberseite des Leistungschips sind mittels Bonddrähten mit den anderen der elektrisch leitenden Anschlüsse verbunden. Die elektrisch leitenden Anschlüsse dienen dazu, den Leistungschip elektrisch an eine strukturierte metallische Beschichtung eines Isolators anzuschließen.From the US 5 075 759 A is an arrangement with a plurality of spaced apart, electrically conductive terminals which are formed flat and arranged on the underside of a plastic housing. A power chip is disposed with its bottom on one of the terminals and electrically connected thereto. Contacts on the top of the power chip are connected by bonding wires to the other of the electrically conductive terminals. The electrically conductive connections serve to electrically connect the power chip to a structured metallic coating of an insulator.

Die EP 0 381 054 A2 zeigt ein Halbleiterbauteil mit einem Leadframe, der mehrere Abschnitte aufweist, die in verschiedenen Ebenen angeordnet sind und auf denen jeweils ein Halbleiterchip angeordnet ist. Die Halbleiterchips sind in ein Harzgehäuse eingebettet. Aus dem Harzgehäuse herausragende Enden des Chipträgers sind umgebogen.The EP 0 381 054 A2 shows a semiconductor device with a leadframe having a plurality of sections, which are arranged in different planes and on each of which a semiconductor chip is arranged. The semiconductor chips are embedded in a resin case. Out of the resin housing protruding ends of the chip carrier are bent.

Die Druckschrift DE 197 13 656 A1 offenbart ein Leistungshalbleitermodul, bei welchem mehrere Leistungshalbleiterelemente, die eine Brückenschaltung bilden, zusammen mit Steuerschaltungen vorgesehen sind, wobei das Modul aufweist: ein gemeinsames Gehäuse, welches aufnimmt: eine Metallbasis, einen Hauptschaltungsabschnitt, in welchem die mehrere Halbleiterelemente der Brückenschaltung in Form von Chips auf einer keramischen Isolierplatine angebracht sind, die thermisch mit der Metallbasis gekoppelt ist, und welche Verbindungsleiter haltert, an welche die Halbleiterelemente angeschlossen sind, und einen Steuerschaltungsabschnitt, in welchem die Steuerschaltungen für die Halbleiterelemente auf einem Verdrahtungssubstrat angebracht sind, welches durch Anordnung von Verdrahtungsleitern auf einer Isolierplatine gebildet wird, wobei der Hauptschaltungsabschnitt über Bondierungsvorrichtungen mit dem Steuerschaltungsabschnitt verbunden ist, Eingangs- und Ausgangsklemmen der Brückenschaltung von den Verbindungsleitern des Hauptschaltungsabschnitts ausgehen, und Anschlussklemmen der Steuerschaltungen, die an externe Geräte angeschlossen werden sollen, von den Verdrahtungsleitern ausgehen.The publication DE 197 13 656 A1 discloses a power semiconductor module in which a plurality of power semiconductor elements forming a bridge circuit are provided together with control circuits, the module comprising: a common housing which houses: a metal base, a main circuit section in which the plurality of semiconductor elements of the bridge circuit are in the form of chips a ceramic insulating board which is thermally coupled to the metal base and which holds connecting conductors to which the semiconductor elements are connected, and a control circuit section in which the control circuits for the semiconductor elements are mounted on a wiring substrate formed by arranging wiring conductors on one Insulating board is formed, wherein the main circuit section is connected via bonding devices to the control circuit section, input and output terminals of the bridge circuit of the connecting conductors of Main circuit section go out, and terminals of the control circuits that are to be connected to external devices, go out of the wiring conductors.

Die Druckschrift US 5 194 933 A offenbart eine Halbleitervorrichtung, die ein isolationsbeschichtetes Metallsubstrat verwendet. Die Halbleitervorrichtung umfasst Halbleiterelemente, die auf einem isolationsbeschichteten Metallsubstrat getragen sind, das aus einem Metallsubstrat und einer auf dem Metallsubstrat angeordneten Isolationsschicht besteht, eine Verdrahtung aus einer auf der Isolationsschicht gebildeten Metallfolie die mit den Halbleiterelementen verbunden ist, ein isolierendes Dichtungsmaterial, das die Halbleiterelemente und die Verdrahtung bedeckt, und eine feste Isolierung mit einer größeren spezifischen induktiven Kapazität als die des Dichtungsmaterials das zwischen einem Randteil der Verdrahtung und dem Dichtungsmaterial angeordnet ist.The publication US 5 194 933 A discloses a semiconductor device using an insulation coated metal substrate. The semiconductor device includes semiconductor elements supported on an insulation-coated metal substrate consisting of a metal substrate and an insulating layer disposed on the metal substrate, a wiring of a metal foil formed on the insulating layer connected to the semiconductor elements, an insulating sealing material comprising the semiconductor elements and the wiring covered, and a solid insulation with a larger one specific inductive capacity than that of the sealing material disposed between an edge portion of the wiring and the sealing material.

Die Druckschrift DE 39 40 933 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Verformung von Basisplatten, vorzugsweise für die Bestückung mit Halbleiterbauelementen. Ein Halbleitermodul, bestehend aus Kupferträgerplatte, Weichlotschicht, Keramikplatte, Hartlotschicht und Halbleiterbauteilen, deren Kupferträgerplatte sich aufgrund der Erwärmung durch den Lötvorgang und anschließender Erkaltung der Lotschichten unerwünscht verformt hat, wird mittels einer Druckvorrichtung in eine beheizbare formgebende Schale gepresst, so dass die Form der Kupferträgerplatte bezogen auf einen ebenen Kühlkörper konkav eingestellt werden kann, so dass sich bei seitlicher Verschraubung unter mechanischer Spannung eine innige Berührung zwischen Kühlkörper und Halbleitermodul ergibt. Hierdurch ist gewährleistet, dass die Verlustleistung des Halbleitermoduls, die als Wärme abfällt, optimal über den Kühlkörper abfließen kann.The publication DE 39 40 933 A1 discloses an apparatus for carrying out a method for deforming base plates, preferably for mounting with semiconductor devices. A semiconductor module, consisting of a copper carrier plate, soft solder layer, ceramic plate, brazing layer and semiconductor components whose copper carrier plate has undesirably deformed due to the heating by the soldering process and subsequent cooling of the solder layers is pressed by means of a printing device in a heatable shaping shell, so that the shape of the copper carrier plate can be concave relative to a flat heat sink, so that there is an intimate contact between the heat sink and the semiconductor module with lateral screw under mechanical stress. This ensures that the power loss of the semiconductor module, which drops as heat, can flow optimally over the heat sink.

Die Druckschrift WO 00/ 07 238 A1 offenbart eine Leistungshalbleitervorrichtung mit Spannungsisolierung zwischen einer Metallrückseite und den Anschlüssen der Vorrichtung. Ein direkt verbundenes Kupfer- („DBC“) Substrat wird verwendet, um eine elektrische Isolation und eine gute Wärmeübertragung von der Vorrichtung zu einem Kühlkörper bereitzustellen. Ein Leistungshalbleiterchip ist an eine erste Metallschicht des DBC-Substrats gelötet oder anderweitig montiert. Die erste Metallschicht verteilt die von dem Halbleiterchip erzeugte Wärme. Die Leitungen und der Chip können in einem einzigen Vorgang an das DBC-Substrat gelötet werden.The publication WO 00/07 238 A1 discloses a power semiconductor device with voltage isolation between a metal back and the terminals of the device. A directly connected copper ("DBC") substrate is used to provide electrical isolation and good heat transfer from the device to a heat sink. A power semiconductor chip is soldered or otherwise mounted to a first metal layer of the DBC substrate. The first metal layer distributes the heat generated by the semiconductor chip. The leads and the chip can be soldered to the DBC substrate in a single operation.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstig herstellbares Leistungshalbleitermodul mit einem durch Kunststoffumspritzen der aktiven Halbleiterbauelemente erzeugten Modulgehäuse mit einer planen und weitestgehend deformationsfreien Kontaktfläche zum thermischen Kontakt mit einem Kühlelement zu schaffen. Der vorliegenden Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Verfahren zum Herstellen eines derartigen Leistungshalbleitermoduls anzugeben.The present invention is therefore based on the object to provide a cost-producible power semiconductor module with a module housing produced by plastic encapsulation of the active semiconductor devices with a flat and largely deformation-free contact surface for thermal contact with a cooling element. The present invention is also based on the object of specifying a cost-effective method for producing such a power semiconductor module.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Leistungshalbleitermodul mit aktiven Halbleiterbauelementen und elektrischen Anschlüssen zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterbauelemente, die sich auf einer Trägeranordnung befinden, und mit einem Modulgehäuse, das durch Kunststoffumspritzen der aktiven Halbleiterbauelemente erzeugt ist, wobei die Trägeranordnung aus mehreren an einer Unterseite des Modulgehäuses angeordneten keramischen Trägerelementen besteht, auf deren Oberflächen Leiterbahnen aufgebracht sind.This object is achieved by a power semiconductor module with active semiconductor devices and electrical connections for electrically contacting the semiconductor devices, which are located on a carrier assembly, and with a module housing, which is produced by plastic encapsulation of the active semiconductor devices, wherein the carrier assembly of a plurality of an underside of Module housing arranged ceramic support elements consists, on the surfaces of which conductor tracks are applied.

Ein erster wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht damit darin, dass innerhalb des gemeinsamen Modulgehäuses mehrere individuelle Trägerelemente vorgesehen sind. Da die benötigte gesamte Trägerfläche auf mehrere einzelne Trägerelemente verteilt ist, erfährt jedes einzelne Trägerelement infolge des Umspritzens nur eine Verformung, die wesentlich geringer ist als die Verformung eines einzigen Trägerelements mit der benötigten Gesamtträgeroberfläche. Mit anderen Worten: Die z.T. unvermeidliche Deformation wird auf mehrere Trägerelemente und damit entsprechend in mehrere kleinere Teildeformationen aufgeteilt, deren jeweiliger absoluter Verformungsbetrag wesentlich geringer ist.A first essential aspect of the present invention thus consists in that several individual carrier elements are provided within the common module housing. Since the required entire support surface is distributed over a plurality of individual support elements, each individual support element experiences only a deformation due to the extrusion, which is substantially less than the deformation of a single support member with the required total support surface. In other words: The z.T. inevitable deformation is divided into a plurality of carrier elements and thus correspondingly into a plurality of smaller sub-deformations whose respective absolute amount of deformation is substantially lower.

Ein weiterer wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die mit Halbleiterbauelementen bestückten einzelnen Trägerelemente individuell vorab getestet werden und bei Defekt ersetzt werden können. Damit kann der Ausschuss an fertigen Modulen kostengünstig minimiert werden.Another essential aspect of the present invention is that the individual carrier elements equipped with semiconductor components are individually tested in advance and can be replaced if defective. As a result, the scrap of finished modules can be minimized cost-effectively.

Die Trägerelemente sind vor dem Kunststoffumspritzen in verschiedenen Ebenen in einem derartigen Versatz angeordnet, der im fertigen Modulgehäuse auftretende Verformungen zumindest an der Unterseite des Modulgehäuses kompensiert.The support elements are arranged before the plastic injection in different levels in such an offset, which compensates for deformations occurring in the finished module housing at least on the underside of the module housing.

Damit wird ein weiterer vorteilhafter Effekt der erfindungsgemäß vorgesehenen mehreren Trägerelemente nutzbar gemacht. Die einzelnen Trägerelemente mit den Halbleiterbauelementen und ggf. Verbindungen oder elektrischen Anschlüssen sind zumindest innerhalb bestimmter Grenzen unabhängig von einander in beliebigen Ebenen vorpositionierbar. Dies ist im übrigen ein erheblicher Vorteil gegenüber Konstruktionen, die einen Heatspreader enthalten. Durch die Vorpositionierbarkeit der Trägerelemente kann die Verwerfung oder Durchbiegung des entstehenden Halbleitermoduls gesteuert werden. Durch geeignete Vorpositionierung der Trägerelemente vor dem Umspritzvorgang kann nämlich die gesamte Anordnung so ausgestaltet werden, dass nach dem Umspritzen mit Kunststoff die durch mechanische Spannung entstehenden Idealformabweichungen kompensiert werden. Jedenfalls kann dafür gesorgt werden, dass zumindest die zum thermischen Kontakt mit einem Kühlelement vorgesehene Außenfläche des Moduls plan ausgebildet ist.In this way, a further advantageous effect of the inventively provided several carrier elements is utilized. The individual carrier elements with the semiconductor components and possibly connections or electrical connections can be prepositioned independently of each other in arbitrary planes, at least within certain limits. Incidentally, this is a significant advantage over designs containing a heatspreader. The pre-positioning of the carrier elements, the rejection or deflection of the resulting semiconductor module can be controlled. By suitable pre-positioning of the carrier elements prior to the encapsulation process, the entire arrangement can be configured in such a way that after encapsulation with plastic, the ideal shape deviations resulting from mechanical stress are compensated. In any case, it can be ensured that at least the outer surface of the module provided for thermal contact with a cooling element is designed to be flat.

Bevorzugt können die Trägerelemente aus Keramik bestehen. Dies erlaubt eine hervorragende elektrische Isolation der darauf montierten Halbleiterbauelemente und elektrischen Verbindungen bei guter Wärmeableitung über die Keramik zum Kühlkörper.Preferably, the support elements may consist of ceramic. This allows excellent electrical isolation of the semiconductor devices and electrical connections mounted thereon good heat dissipation through the ceramic to the heat sink.

Bei Verwendung von unterschiedlichen Halbleiterbauelementen mit unterschiedlich starker Wärmeabgabe innerhalb eines Halbleitermoduls können in Ausnutzung der durch die Verwendung mehrerer Trägerelemente gegebenen Möglichkeiten die Trägerelemente aus unterschiedlichem Material bestehen. Dabei ist das Material in vorteilhafter Weise auf die jeweiligen Anforderungen des darauf angeordneten Halbleiterbauelements abgestimmt; so können z.B. Trägerelemente, auf denen Leistungshalbleiterelemente angeordnet sind aus höherwertiger, hochwärmeleitfähiger Keramik bestehen, während andere Trägerelemente, die z.B. Logikelemente tragen, aus kostengünstigerer einfacherer Keramik bestehen können.When using different semiconductor devices with different levels of heat dissipation within a semiconductor module can take advantage of the given by the use of multiple support elements options, the support elements made of different materials. In this case, the material is matched in an advantageous manner to the respective requirements of the semiconductor component arranged thereon; such as e.g. Carrier elements, on which power semiconductor elements are arranged, consist of higher-value, highly heat-conductive ceramics, while other carrier elements, e.g. Bear logic elements, can consist of less expensive simple ceramic.

Die Aufgabe, ein kostengünstiges Verfahren zum Herstellen eines derartigen Leistungshalbleitermoduls anzugeben, wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren, bei dem mehrere aktive Halbleiterbauelemente und elektrische Anschlüsse zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterbauelemente auf mehreren keramischen Trägerelementen angeordnet werden, auf deren Oberflächen Leiterbahnen aufgebracht sind, und ein Modulgehäuse durch Kunststoffumspritzen der Trägerelemente mit den Halbleiterbauelementen erzeugt wird, so dass die Trägerelemente an einer Unterseite des Modulgehäuses angeordnet sind, wobei die Trägerelemente vor dem Kunststoffumspritzen in verschiedenen Ebenen so versetzt zueinander angeordnet werden, dass nach dem Umspritzen aufgrund des anschließenden Schrumpfprozesses im fertigen Modulgehäuse auftretende Verformungen zumindest an der Unterseite des Modulgehäuses kompensiert werden.The object to provide a cost-effective method for producing such a power semiconductor module is achieved by a method in which a plurality of active semiconductor devices and electrical connections for electrically contacting the semiconductor devices are arranged on a plurality of ceramic support elements, on the surfaces of which conductor tracks are applied, and a module housing is produced by Kunststoffumspritzen the support elements with the semiconductor devices, so that the support elements are arranged on an underside of the module housing, wherein the support elements are arranged so offset from each other before Kunststoffumspritzen in different planes that after encapsulation due to the subsequent shrinking process in the finished module housing occurring deformations be compensated at least at the bottom of the module housing.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

  • 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleitermoduls im Querschnitt,
  • 2 schematisch die Verformung eines einzigen Trägerelements und flächenentsprechender mehrerer Trägerelemente und
  • 3 schematisch die Anordnung mehrerer Trägerelemente in einer ersten und einer erfindungsgemäß bevorzugten zweiten Variante.
An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing; show it:
  • 1 an embodiment of a semiconductor module according to the invention in cross section,
  • 2 schematically the deformation of a single support member and surface corresponding multiple support elements and
  • 3 schematically the arrangement of a plurality of carrier elements in a first and a second preferred embodiment according to the invention.

Das in der 1 gezeigte Leistungshalbleitermodul umfasst mehrere Trägerelemente 1, 2, 3, die aus Keramiksubstraten bestehen. Auf den Trägerelementen sind Halbleiterbauelemente 5, 6, 7, 8, 9, 10 angeordnet. Die Halbleiterbauelemente 5, 6, 7, 8, 9, 10 sind über nicht näher dargestellte Leiterbahnen kontaktiert, die auf der jeweiligen Oberfläche 12, 13, 14 der Trägerelemente 1, 2, 3 aufgebracht sind. Die Leiterbahnen unterschiedlicher Trägerelemente sind wie angedeutet über Bonddrähte 15 mit einander elektrisch verbunden; die Halbleiterbauelemente 5, 6, 7, 8, 9, 10 sind wie angedeutet über Bonddrähte 16 mit einander und schließlich mit Kontakten (Anschlußpins) (z.B. 17) zur externen Kontaktierung verbunden. That in the 1 shown power semiconductor module comprises a plurality of carrier elements 1 . 2 . 3 , which consist of ceramic substrates. On the carrier elements are semiconductor devices 5 . 6 . 7 . 8th . 9 . 10 arranged. The semiconductor devices 5 . 6 . 7 . 8th . 9 . 10 are contacted via non-illustrated interconnects on the respective surface 12 . 13 . 14 the support elements 1 . 2 . 3 are applied. The interconnects of different carrier elements are as indicated via bonding wires 15 electrically connected to each other; the semiconductor devices 5 . 6 . 7 . 8th . 9 . 10 are as indicated via bonding wires 16 with each other and finally with contacts (connecting pins) (eg 17) connected to the external contact.

Die Halbleiterbauelemente 5 und 6 können Leistungshalbleiter sein, die eine sehr hohe in Wärme umgesetzte Verlustleistung aufweisen und deshalb eine besonders effektive Wärmeableitung erfordern. Demgemäss ist das Keramiksubstrat 1 aus einem höherwertigen Material mit besonders guter Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Dagegen seien beispielsweise die Halbleiterbauelemente 7 und 8 Logikhalbleiter, die nur eine vergleichsweise geringe in Wärme umgesetzte Verlustleistung aufweisen. Aufgrund der Verwendung mehrerer Trägerelemente kann das Keramiksubstrat 2 aus einer kostengünstigeren Keramik mit geringerer Wärmeleitfähigkeit bestehen.The semiconductor devices 5 and 6 can be power semiconductors, which have a very high heat dissipated power loss and therefore require a particularly effective heat dissipation. Accordingly, the ceramic substrate 1 made of a higher quality material with particularly good thermal conductivity. By contrast, for example, the semiconductor devices 7 and 8th Logic semiconductors that have only a comparatively low heat loss power dissipation. Due to the use of multiple carrier elements, the ceramic substrate 2 consist of a cheaper ceramic with lower thermal conductivity.

Das Halbleitermodul umfasst ein Modulgehäuse 20, das im Kunststoffspritzgussverfahren hergestellt ist. Dazu wurden die Trägerelemente 1, 2, 3, die darauf angeordneten Leiterbahnen und die Halbleiterbauelemente 5 bis 10 und die Bonddrähte 15, 16 in eine Gussform eingebracht und mit einem Kunststoff unter Bildung des Modulgehäuses 20 umspritzt. Die Rückseiten 22, 23, 24 der Keramiksubstrate (Trägerelemente) 1, 2, 3 bilden Teilflächen der Modulunterseite 25, die zum thermischen Kontakt mit einem nicht gezeigten Kühlkörper möglichst eben ausgebildet ist. Zur ebenen Ausbildung dient die Verwendung mehrerer Trägerelemente 1, 2, 3. Würde nur ein einziges Trägerelement verwendet, auf dem alle Halbleiterbauelemente anzuordnen wären und das dazu entsprechend die Gesamtmontagefläche aller Trägerelemente 1, 2, 3 aufweisen müsste, würden die mechanischen Spannungen infolge des Umspritzvorganges und des anschließenden Schrumpfprozesses des Kunststoffs erheblichen Einfluss ausüben.The semiconductor module comprises a module housing 20 , which is produced by plastic injection molding. These were the support elements 1 . 2 . 3 , the conductor tracks arranged thereon and the semiconductor components 5 to 10 and the bonding wires 15 . 16 introduced into a mold and with a plastic to form the module housing 20 molded. The backsides 22 . 23 . 24 the ceramic substrates (support elements) 1 . 2 . 3 form partial surfaces of the module base 25 , which is as flat as possible for thermal contact with a heat sink, not shown. For planar training, the use of multiple support elements 1 . 2 . 3 , If only a single carrier element were used, on which all semiconductor components would be arranged and, correspondingly, the total mounting surface of all carrier elements 1 . 2 . 3 would have the mechanical stresses due to the encapsulation process and the subsequent shrinkage process of the plastic exert considerable influence.

Bei dem erfindungsgemäßen Halbleitermodul führen diese Spannungen nur zu geringen Deformationen des Modulgehäuses, weil sie sich auf mehrere Trägerelemente verteilen und wegen der geringeren absoluten Ausdehnung des individuellen Trägerelements bei jedem Trägerelement nur vergleichsweise geringen Einfluss haben.In the case of the semiconductor module according to the invention, these voltages only lead to small deformations of the module housing, because they are distributed over a plurality of carrier elements and, because of the smaller absolute extent of the individual carrier element, have only comparatively little influence on each carrier element.

Dieser Effekt wird anhand 2 verdeutlicht, die beispielhaft ein einziges Substrat (Trägerelement) 30 und im Vergleich dazu sechs individuelle Trägerelemente 32, 33, 34, 35, 36, 37 zeigt, wobei die Summe ihrer Oberflächen der Gesamtoberfläche des Trägerelements 30 entspricht, also die Summe ihrer Oberflächen flächengleich zur Gesamtoberfläche des Trägerelements 30 ist.This effect is based on 2 illustrates, by way of example, a single substrate (carrier element) 30 and by comparison, six individual support elements 32 . 33 . 34 . 35 . 36 . 37 shows, wherein the sum of their surfaces of the total surface of the support element 30 corresponds, so the sum of their surfaces coextensive with the total surface of the support element 30 is.

Das Trägerelement 30 ist in der Verformung (Durchbiegung) dargestellt, die es bei dem vorbeschriebenen Umspritzen mit Kunststoff erfahren würde. Der Kunststoff ist nicht dargestellt; er würde sich auf der konkaven Seite des Trägerelements befinden. Die maximale Durchbiegung ist mit de bezeichnet.The carrier element 30 is shown in the deformation (deflection) that would be experienced in the above-described plastic encapsulation. The plastic is not shown; he would be on the concave side of the support element. The maximum deflection is with d e designated.

Dagegen weisen die sechs individuellen Trägerelemente 32, 33, 34, 35, 36, 37 bei dem vorbeschriebenen Umspritzen mit (nicht dargestelltem) Kunststoff jeweils nur eine geringe Verformung auf, deren maximale Durchbiegung mit dm bezeichnet. Es gilt also de >> dm .By contrast, the six individual support elements 32 . 33 . 34 . 35 . 36 . 37 in the case of the above-described encapsulation with (not shown) plastic only a slight deformation, whose maximum deflection with d m designated. So it applies d e >> d m ,

3 zeigt schematisch die Anordnung mehrerer Trägerelemente in einer Gussform in einer ersten und einer erfindungsgemäß bevorzugten zweiten Variante. Im oberen Teil der 3 ist die erste Variante dargestellt. Danach sind mehrere bestückte und in 1 bereits ausführlich beschriebene Trägerelemente 1, 2, 3 in planarer Anordnung, d.h. auf einer gemeinsamen Ebene, vor dem Umspritzen in einer Gussform angeordnet. Nach dem Umspritzen (der Umspritzvorgang ist durch einen Pfeil symbolisiert) ergibt sich infolge der vorstehend ausführlich erläuterten mechanischen Spannungen beim Umspritzvorgang und infolge des anschließenden Schrumpfprozesses eine Gestalt eines Modulgehäuses 20', die eine Durchbiegung aufweist. 3 schematically shows the arrangement of a plurality of carrier elements in a mold in a first and a second preferred embodiment according to the invention. In the upper part of the 3 the first variant is shown. After that, several are stocked and in 1 already described in detail support elements 1 . 2 . 3 arranged in a planar arrangement, ie on a common plane, before encapsulation in a mold. After encapsulation (the encapsulation process is symbolized by an arrow), a shape of a module housing results as a result of the mechanical stresses explained in detail above during the encapsulation process and as a result of the subsequent shrinking process 20 ' that has a deflection.

Aus Kenntnis der Deformationen und der Spannungs- und Schrumpfeffekte ist nach der erfindungsgemäß bevorzugten zweiten Variante vorgesehen, die einzelnen Trägerelemente 1, 2, 3 versetzt anzuordnen, wie im unteren Teil der 3 gezeigt. Damit wird ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Halbleitermoduls deutlich: Die unabhängige Positionierung der Trägerelemente in verschiedenen Ebenen zueinander in einer Gussform kompensiert die infolge der mechanischen Spannungen beim Umspritzvorgang und infolge des anschließenden Schrumpfprozesses auftretenden Deformationen derart, dass ein Modulgehäuse 20 mit einer ebenen Modulunterseite 25 entsteht.From knowledge of the deformations and the stress and shrinkage effects is provided according to the invention preferred second variant, the individual support elements 1 . 2 . 3 to arrange offset, as in the lower part of the 3 shown. Thus, a further advantage of the semiconductor module according to the invention becomes clear: the independent positioning of the carrier elements in different planes relative to one another in a casting mold compensates for the deformations which occur as a result of the mechanical stresses during the encapsulation process and as a result of the subsequent shrinking process such that a module housing 20 with a planar module underside 25 arises.

Zusammenfassend weist das erfindungsgemäße Halbleitermodul bzw. das zu seiner Herstellung angegebene Verfahren insbesondere folgende Vorteile auf:

  • - Die umspritztechnisch bedingte Verformung verteilt sich auf mehrere Substrate mit - gegenüber der Verwendung eines einzigen flächengleichen Substrats - jeweils erheblich geringerem Verformungsgrad.
  • - Die umspritztechnisch bedingte Verformung kann durch entsprechende Anordnung der einzelnen Trägerelemente in verschiedenen Ebenen vor dem Umspritzvorgang kompensiert werden.
  • - Die Wärmewiderstände zwischen den Halbleiterbauelementen und dem an das Halbleitermodul anschließenden Kühlkörper sind minimiert und gut reproduzierbar gestaltet.
  • - Es können bedarfsweise Keramiken unterschiedlicher Qualität und Eigenschaften innerhalb eines Halbleitermoduls verwendet werden.
  • - Eine zuverlässige elektrische Isolation ist bei guter Wärmeleitung fertigungstechnisch einfach realisiert.
  • - Die einzelnen bestückten Trägerelemente können vorgetestet werden; durch Verwendung kleinerer Substrate ist eine kostengünstige Fertigung des Halbleitermoduls in größeren Stückzahlen ermöglicht.
In summary, the semiconductor module according to the invention or the method specified for its production has in particular the following advantages:
  • - The extrusion-related deformation is distributed over several substrates with - compared to the use of a single surface equal substrate - each significantly lower degree of deformation.
  • - The Umspritztechnisch conditional deformation can be compensated by appropriate arrangement of the individual support elements in different levels before Umspritzvorgang.
  • The thermal resistances between the semiconductor components and the heat sink adjoining the semiconductor module are minimized and designed to be highly reproducible.
  • - If necessary, ceramics of different quality and properties can be used within a semiconductor module.
  • - A reliable electrical insulation is easily realized in terms of manufacturing technology with good heat conduction.
  • - The individual equipped carrier elements can be pretested; By using smaller substrates, a cost-effective production of the semiconductor module in larger numbers is possible.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1, 2, 31, 2, 3
Trägerelementesupport elements
5, 6, 7, 8, 9, 105, 6, 7, 8, 9, 10
HalbleiterbauelementeSemiconductor devices
12, 13, 1412, 13, 14
Oberflächensurfaces
15, 1615, 16
BonddrähteBond wires
1717
Kontakte (Anschlusspins)Contacts (connection pins)
2020
Modulgehäusemodule housing
20'20 '
Modulgehäusemodule housing
22, 23, 2422, 23, 24
Rückseitenbacks
2525
ModulunterseiteBottom of module
3030
Substrat (Trägerelement)Substrate (carrier element)
32, 33, 3432, 33, 34
individuelle Trägerelementeindividual support elements
35, 36, 3735, 36, 37
individuelle Trägerelemente individual support elements
de d e
maximale Durchbiegungmaximum deflection
dm d m
maximale Durchbiegungmaximum deflection

Claims (3)

Leistungshalbleitermodul - mit aktiven Halbleiterbauelementen (5 bis 10) und elektrischen Anschlüssen zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterbauelemente (5 bis 10), die sich auf einer Trägeranordnung befinden, und - mit einem Modulgehäuse (20), das durch Kunststoffumspritzen der aktiven Halbleiterbauelemente (5 bis 10) erzeugt ist, wobei - die Trägeranordnung aus mehreren an einer Unterseite (25) des Modulgehäuses (20) angeordneten keramischen Trägerelementen (1, 2, 3) besteht, auf deren Oberflächen Leiterbahnen aufgebracht sind, und - die Trägerelemente (1, 2, 3) vor dem Kunststoffumspritzen in verschiedenen Ebenen in einem derartigen Versatz angeordnet sind, der im fertigen Modulgehäuse (20) auftretende Verformungen zumindest an der Unterseite (25) des Modulgehäuses (20) kompensiert.Power semiconductor module - with active semiconductor components (5 to 10) and electrical connections for electrical contacting of the semiconductor components (5 to 10), which are located on a carrier arrangement, and - with a module housing (20), which is formed by plastic encapsulation of the active semiconductor components (5 to 10 ) is generated, wherein - the carrier arrangement comprises a plurality of ceramic carrier elements (1, 2, 3) arranged on a lower side (25) of the module housing (20), on the surfaces of which conductor tracks are applied, and - the carrier elements (1, 2, 3) before the plastic encapsulation Layers are arranged in such an offset, which compensates in the finished module housing (20) occurring deformations at least on the underside (25) of the module housing (20). Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, - wobei die Trägerelemente (1, 2) aus unterschiedlichem Material bestehen, das gemäß den jeweiligen Anforderungen des darauf angeordneten Halbleiterbauelements (5, 6; 7, 8) ausgewählt ist.Power semiconductor module after Claim 1 - wherein the carrier elements (1, 2) consist of different material which is selected according to the respective requirements of the semiconductor component (5, 6; 7, 8) arranged thereon. Verfahren zum Herstellen eines Leistungshalbleitermoduls, bei dem - mehrere aktive Halbleiterbauelemente (5 bis 10) und elektrische Anschlüsse zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterbauelemente (5 bis 10) auf mehreren keramischen Trägerelementen (1, 2, 3) angeordnet werden, auf deren Oberflächen Leiterbahnen aufgebracht sind, - und ein Modulgehäuse (20) durch Kunststoffumspritzen der Trägerelemente (1, 2, 3) mit den Halbleiterbauelementen (5 bis 10) erzeugt wird, so dass die Trägerelemente (1, 2, 3) an einer Unterseite (25) des Modulgehäuses (20) angeordnet sind, wobei die Trägerelemente (1, 2, 3) vor dem Kunststoffumspritzen in verschiedenen Ebenen so versetzt zueinander angeordnet werden, dass nach dem Umspritzen aufgrund des anschließenden Schrumpfprozesses im fertigen Modulgehäuse (20) auftretende Verformungen zumindest an der Unterseite (25) des Modulgehäuses (20) kompensiert werden.Method for producing a power semiconductor module, in which a plurality of active semiconductor components (5 to 10) and electrical connections for electrically contacting the semiconductor components (5 to 10) are arranged on a plurality of ceramic carrier elements (1, 2, 3), on the surfaces of which conductor tracks are applied, - And a module housing (20) by Kunststoffumspritzen the support elements (1, 2, 3) with the semiconductor devices (5 to 10) is generated, so that the support elements (1, 2, 3) on an underside (25) of the module housing (20 ), wherein the carrier elements (1, 2, 3) are arranged offset from one another in different planes prior to the plastic encapsulation, that deformations occurring after the encapsulation due to the subsequent shrinking process in the finished module housing (20) at least on the underside (25) of the Module housing (20) are compensated.
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