DE10157362A1 - Leistungsmodul und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Leistungsmodul und Verfahren zu seiner Herstellung

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul und ein Verfahren zu seiner Herstellung, wobei das Leistungsmodul (1) einen Schaltungsträger (3) aufweist, der auf seiner Oberseite (5) mit einer strukturierten Metallschicht (6) beschichtet ist und mit Leistungsbauelementen (7) bestückt ist. Die Leistungsbauelemente werden durch Flachleiter (8) angesteuert, deren innere Flachleiterenden (9) über Thermokompressionsköpfe (10) mit Kontaktanschlußflächen (11) zusammenwirken, während die äußeren Flachleiterenden aus dem Gehäuse des Leistungsmoduls (1) herausragen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul mit einer beidseitig metallbeschichteten Isolationsplatte als Schaltungsträger und ein Verfahren zur Herstellung derselben gemäß der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
  • Leistungsmodule weisen eine Mehrzahl von Leistungsbauelementen auf einem Schaltungsträger auf. Der Schaltungsträger ist über Klebe- oder Lotverbindungen auf entsprechenden Kontaktanschlußflächen des Schaltungsträgers mit äußeren Flachleitern verbunden, die aus einem Gehäuse des Leistungsmoduls herausragen. Derartige Leistungsmodule verursachen bei ihrer Herstellung hohe Kosten, zumal für Klebeverbindungen in dem Leistungsmodul hochwertige kostenintensive Materialien erforderlich sind. Weisen die Leistungsmodule Lötverbindungen auf, so ist für deren Herstellung ein hoher kostenintensiver Energieverbrauch erforderlich und die Leistungselemente des Leistungsmoduls sind hohen thermischen Belastungen ausgesetzt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Leistungsmodul, das kostengünstig und bei niedrigen Temperaturen herstellbar ist und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben.
  • Gelöst wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Erfindungsgemäß wird ein Leistungsmodul bereitgestellt mit einer beidseitig metallbeschichteten Isolationsplatte als Schaltungsträger. Der Schaltungsträger weist auf seiner Oberseite eine strukturierte Metallschicht auf und ist mit Leistungsbauelementen bestückt. Ferner weist das Leistungsmodul Flachleiter auf, deren innere Flachleiterenden über Thermokompressionsköpfe mit Kontaktanschlußflächen der strukturierten Metallschicht elektrisch verbunden sind und deren äußere Flachleiterenden aus dem Gehäuse des Leistungsmoduls herausragen.
  • Dieses Leistungsmodul hat den Vorteil, dass aufgrund der elektrischen und mechanischen Verbindung der inneren Flachleiterenden mit den Kontaktanschlußflächen über Thermokompressionsköpfe sämtliche bekannten Temperaturbereiche von Back-End-Prozessen mechanisch stabil und zuverlässig überstanden werden, so dass die Produktivität der Fertigung derartiger Leistungsmodule verbessert ist. Dabei kann die mechanische Festigkeit einer derartigen Fügeverbindung beliebig erhöht werden, indem die Anzahl der Thermokompressionsköpfe pro Verbindung angemessen an die Festigkeit der Fügeverbindung angepaßt wird. Darüber hinaus kann die für die Leistungsmodule erforderliche Stromdichte durch Anpassung der Anzahl der Thermokompressionsköpfe pro Fügeverbindung zwischen inneren Flachleiterenden und Kontaktanschlußflächen des Schaltungsträgers erreicht werden.
  • Ein Fügeprozeß über Thermokompressionsköpfe hat darüber hinaus den Vorteil, dass er zu einem beliebigen Zeitpunkt der Back-End-Prozesse eingesetzt werden kann, das heißt er kann am Beginn eines Montageprozesses stehen oder während eines späteren Zeitpunkts des Zusammenbaus erfolgen. Dieser Vorteil wird anhand von Durchführungsbeispielen nachfolgend näher erläutert.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Leistungsbauelemente auf dem Schaltungsträger über Leiterbahnen der strukturierten Metallschicht untereinander und/oder mit den Kontaktanschlußflächen verbunden. Diese Ausführungsform der Erfindung hat den Vorteil, dass der Querschnitt der Leiterbahnen den erforderlichen Stromdichten durch die Dicke der strukturierten Metallschicht und durch die Breite der Leiterbahnen in der strukturierten Metallschicht angepaßt werden kann. Die Leistungsbauelemente können aktive Leistungshalbleiterchips sein oder auch passive Bauelemente, wie Widerstände, Kondensatoren und Spulen umfassen. Für aktive Leistungsbauelemente werden vorzugsweise MOS-Leistungstransistoren, IGBT-Transistoren (insulated gate bipolar transistor), Leistungsdioden und/oder Tyristoren eingesetzt.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Elektroden auf aktiven Oberseiten der Leistungsbauelemente mit den Leiterbahnen und/oder den Kontaktanschlußflächen der strukturierten Metallschicht des Schaltungsträgers über Bondverbindungen verbunden. Dazu sind auf der aktiven Oberseite der Leistungsbauelemente Kontaktflächen vorgesehen, die mit den Elektroden der Leistungsbauelemente verbunden sind. Auf diesen Kontaktflächen werden mit Hilfe von Schall- und/oder Wärmeenergie Bonddrähte angebracht, die von der aktiven Oberseite der Leistungsbauelemente zu den Leiterbahnen geführt werden. Diese Bonddrahttechnologie wird auch verwendet, um Elektroden der Leistungsbauelemente miteinander zu verbinden und/oder die Elektroden direkt mit den Kontaktanschlußflächen des Schaltungsträgers zu verbinden. Damit ergibt sich durch die Bondverbindungen die Möglichkeit, trotz vorgefertigter strukturierter Metallschicht eine Flexibilität in der Verschaltung der Leistungsbauelemente auf dem Schaltungsträger beizubehalten.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Schaltungsträger als Isolationsplatte eine Keramikplatte auf, die aus Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Siliciumnitrid, Zirkoniumoxid, Magnesiumoxid oder Siliciumcarbid oder Mischungen derselben bestehen kann. Derartige Keramikplatten werden insbesondere für hohe Leistungen bei gleichzeitig hohen Frequenzen als Isolationsplatte für den Schaltungsträger eingesetzt, da ihre relative Dielektrizitätskonstante gering ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Schaltungsträger als Isolationsplatte ein glasfaserverstärktes Kunstharz auf. Derartige glasfaserverstärkte Kunstharzplatten sind auch als Leiterplatten bekannt, wobei ihre Festigkeit und ihre Dielektrizitätskonstante durch den Anteil der Glasfaser an die Erfordernisse des Leistungsmoduls angepaßt werden kann. Derartige Isolationsplatten können für niederfrequente Leistungsmodule, die der Motorsteuerung dienen oder für am Netz betriebene Haushaltsgeräte erforderlich sind, eingesetzt werden, da glasfaserverstärkte Kunstharzplatten erhebliche Preisvorteile gegenüber Keramikplatten aufweisen.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Schaltungsträger auf seiner Unterseite eine geschlossene Metallschicht aufweist. Diese geschlossene Metallschicht des Schaltungsträgers kann gleichzeitig eine Außenseite des Leistungsmoduls bilden, an die eine Wärmesenke angekoppelt werden kann. Da die Wärmeleitfähigkeit insbesondere von glasfaserverstärkten Kunstharzplatten nicht besonders groß ist, kann durch eine derartige geschlossene Metallschicht einerseits die Wärmeverteilung über die Gesamtfläche der Kunstharzplatte verteilt werden und zum anderen eine verbesserte Wärmeableitung über die geschlossene Metallschicht auf der Unterseite und damit auf der Außenseite des Leistungsbauteils erreicht werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Metallschichten des Schaltungsträgers Kupfer oder eine Kupferlegierung auf. Kupfer hat den Vorteil, dass es eine hohe elektrische und ebenso eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Die hohe elektrische Leitfähigkeit wird insbesondere für die strukturierte Metallschicht auf der Oberseite des Schaltungsträgers benötigt, während die hohe Wärmeleitfähigkeit des Kupfers insbesondere für die geschlossene Metallschicht auf der Unterseite des Schaltungsträgers von Vorteil ist.
  • Um die Bondbarkeit des Kupfers, insbesondere der strukturierten Kupferschicht, im Bereich der Kontaktanschlußflächen zu verbessern, können diese in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung eine bondbare Beschichtung aufweisen, die sich aus zwei Lagen zusammensetzt, nämlich einer unteren Lage aus einer kupferdiffusionshemmenden Schicht und einer oberen Lage aus einer Edelmetallschicht. Dabei sorgt die untere Lage dafür, dass Kupferionen nicht zu der oberen Edelmetallschicht diffundieren können und daß nicht durch diesen Diffusionsvorgang die Bondverbindung auf der Oberseite der Kontaktanschlußfläche versprödet. Die kupferdiffusionshemmende Schicht re kann die Kontaktanschlußfläche von einer phosphordotierten Nickelbeschichtung bedeckt sein. Eine derartige phosphordotierte Nickelbeschichtung hat darüber hinaus den Vorteil, dass auch unmittelbar auf dieser Nickelbeschichtung ohne Aufbringen einer Edelmetall-Legierung eine Bondverbindung hergestellt werden kann.
  • Wenn eine Edelmetallbeschichtung auf den Kontaktanschlußflächen aufgrund der Materialien der Bonddrähte erforderlich wird, so weist diese Schicht Gold, Silber, Aluminium oder Legierungen derselben auf. Diese Edelmetallschichten haben gegenüber einer reinen Kupferoberfläche den Vorteil, dass sie gegenüber der umgebenden Luft unempfindlich sind und ein Oxidieren der Kupferschicht verhindern. Dazu reicht bereits eine Gold- oder Goldlegierungsbeschichtung aus wenigen zehn Nanometer Dicke aus. Somit ist der reine Edelmetallverbrauch zur Veredelung der Kontaktanschlußflächen äußerst gering und bewirkt eine stabile Bondverbindung. Ferner hat dieses Verfahren der mehrlagigen Beschichtung der Kontaktanschlußflächen den Vorteil, dass der Schaltungsträger zwischengelagert werden kann, ohne dass die Kontaktanschlußflächen korrodieren oder oxidieren.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die beidseitigen Metallschichten des Schaltungsträgers identische kupferdiffusionshemmende und/oder Edelmetallbeschichtungen aufweisen. Derartige identische Beschichtungen, sowohl für die strukturierte Metallschicht auf der Oberseite des Schaltungsträgers als auch für die geschlossene Metallschicht auf der Unterseite des Systemträgers hat den Vorteil, dass damit eine Verfahrensvereinfachung verbunden sein kann, indem noch vor der Strukturierung der Metallschicht auf der Oberseite des Schaltungsträgers auf beiden Seiten einer Isolationsplatte eine geschlossene Metallschicht aus einer ersten Lage aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, einer zweiten Lage aus seiner kupferdiffusionshemmenden Schicht und schließlich einer dritten Lage aus einer Edelmetallschicht galvanisch oder chemisch aufgebracht werden kann. Derartige doppelseitig beschichtete und veredelte Isolationsplatten für Schaltungsträger von Leistungsmodulen können preiswerter hergestellt werden, als wenn selektiv bestimmte Bereiche auf der strukturierten Metallschicht mit einer bondbaren Beschichtung zu belegen sind.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Thermokompressionsköpfe Gold, Aluminium, Kupfer und/oder Legierungen derselben auf. Derartige Thermokompressionsköpfe können relativ preiswert durch Thermokompressionsbonden auf den Kontaktanschlußflächen oder auf den inneren Flachleiterenden hergestellt werden, indem mit einem entsprechenden Werkzeug ein Gold- oder Aluminiumdraht auf die zu kontaktierenden Oberflächen abgesenkt wird und mit Hilfe von Druck und Temperatur auf die Kontaktanschlußfläche oder auf die Oberfläche von inneren Flachleitern aufgebonded werden und der Bonddraht nach dem Herstellen der Bondköpfe ohne Ausbildung einer Bonddrahtverbindung durchtrennt wird. Die Anzahl der Thermokompressionsköpfe auf den Kontaktanschlußflächen beziehungsweise auf den Oberseiten der inneren Flachleiterenden kann dabei den Erfordernissen der Stromdichte und der mechanischen Festigkeit angepaßt werden.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Flachleiter Kupfer oder eine Kupferlegierung aufweisen. Die Flachleiter selbst sind Teile eines Systemträgers, der einen Systemträgerrahmen aufweist mit mehreren Modulbaupositionen aufweist. In jeder Modulbauposition erstrecken sich Flachleiter vom Systemträgerrahmen aus zu der Position des Schaltungsträgers eines Leistungsmoduls. Derartige Systemträger sind relativ preiswert aus Kupferplatten oder Kupferfolien herstellbar, so dass damit auch das Material der Flachleiter vorgegeben ist.
  • An den inneren Flachleiterenden können die Oberflächen veredelt sein, um einerseits eine Kupferdiffusion zu verhindern und andererseits ein Verbindung mit den Thermokompressionsköpfen zu erleichtern. Somit können die inneren Flachleiterenden in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung eine kupferdiffusionshemmende und/oder Edelmetallbeschichtung aufweisen, deren Zusammensetzung der bondbaren Beschichtung auf den Kontaktanschlußflächen entspricht.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Leistungsmodul ein Multichipmodul mit auf dem Schaltungsträger angeordneten Leistungshalbleiterchips ist. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung sind die Leistungsbauelemente, soweit es Leistungshalbleiterchips betrifft, nicht in einem Gehäuse untergebracht und dann auf den Schaltungsträger montiert, sondern sie sind als Halbleiterchips ohne Verpackung unmittelbar auf dem Schaltungsträger angeordnet, was den Gesamtaufbau des Leistungsmoduls erheblich verbilligt.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Leistungsmodul eine Steuerung für einen Elektromotor auf. Derartige Motorsteuerungen können einen Drehstrommotor über das Leistungsmodul steuern und versorgen. Dabei ist das Leistungsmodul selbst an einen einphasigen oder dreiphasigen Netzanschluß angeschlossen. Derartige Leistungsmodule zum Steuern von Elektromotoren können auch zur Drehzahlregelung eingesetzt werden. Schließlich kann mit derartigen Leistungsmodulen auch die Leistungsaufnahme eines Drehstrommotors durch Variation der Leistungsbegrenzung angepaßt werden. Dazu weist das Leistungsmodul in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung eine Eingangsstufe zum Anschluß an eine einphasige oder dreiphasige Netzleitung und eine dreiphasige Ausgangsstufe zur Steuerung eines Drehstrommotors auf.
  • Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls weist wird zunächst eine Schaltungsträgerplatte mit Kontaktinseln, Leiterbahnen und Kontaktanschlußflächen einer strukturierten Metallschicht mit mehreren Modulbaupositionen bereitgestellt. Danach werden mindestens die Kontaktanschlußflächen mit einer bondbaren Beschichtung versehen. Anschließend können auf die Kontaktanschlußflächen Thermokompressionsköpfe aufgebracht werden. Nachdem eine Schaltungsträgerplatte auf diese Weise hergestellt ist, wird sie in einzelne Schaltungsträger für jede Modulbauposition getrennt.
  • Für den weiteren Zusammenbau eines Leistungsmoduls wird ein Systemträger mit einem Systemträgerrahmen, von dem aus sich in jeder Modulbauposition Flachleiter mit inneren Flachleiterenden in Richtung auf den anzubringenden Schaltungsträgererstrecken, bereitgestellt. Danach erfolgt ein Ausrichten und ein Verbinden der Thermokompressionsköpfe auf den Kontaktanschlußflächen jedes Schaltungsträgers mit den inneren Flachleiterenden von jedem Flachleiter in den Modulbaupositionen des Systemträgers. Schließlich werden mehrere Leistungsbauelemente in jeder Modulbauposition aufgebracht. Die Leistungsbauelemente einer jeden Modulbauposition des Systemträgers mit auf Schaltungsträgern angeordneten Leistungsbauelementen in einem Gehäuse verpackt und abschließend wird der Systemträger in einzelne Mulichip-Leistungsmodule getrennt.
  • Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass in dem Verfahrensablauf die hochtemperaturfesten Verbindungen über Thermokompressionsköpfe eingebracht werden, so dass die Hochtemperaturprozesse zum Einbauen der Leistungsbauelemente, sowie die beim Test erforderlichen Temperaturwechselzyklen erfolgreich überstanden werden.
  • Bei einem weiteren Durchführungsbeispiel des Verfahrens ist die Abfolge der Herstellungsschritte geändert, indem die Verbindung über Thermokompressionsköpfe erst nach dem Aufbringen der Leistungsbauelemente auf den Schaltungsträger erfolgt. Bei dieser Verfahrensvariante ist der Schaltungsträger bereits mit Leistungsbauelementen bestückt, wenn das Herstellen von Thermokompressionsköpfen und das Aufbringen und Verbinden dieser Thermokompressionsköpfe mit den Kontaktanschlußflächen erfolgt. Der Vorteil dieser Verfahrensabfolge ist, dass eine Schaltungsträgerplatte für viele Leistungsmodule zunächst in einem Parallelverfahren mit den Leistungsbauelementen bestückt werden kann und erst nach dieser Bestückung die Schaltungsträgerplatte in einzelne Schaltungsträger getrennt wird.
  • In einem weiteren Durchführungsbeispiel des Verfahrens wird als Schaltungsträger eine doppelseitig kupferkaschierte Isolationsplatte bereitgestellt. Diese doppelseitig kupferkaschierte Isolationsplatte kann bereits eine weitere Metall- Lage einer kupferdiffusionshemmenden Schicht und eine Edelmetallschicht aufweisen. Die doppelseitig kupferkaschierte Isolationsplatte wird dann einseitig mit Kontaktinseln zum Fixieren von Leistungshalbleiterchips mit Leiterbahnen und mit Kontaktanschlußflächen strukturiert. Die gegenüberliegende Kupferschicht bleibt als geschlossene Metallschicht erhalten.
  • Das Strukturieren der Metallschicht kann in einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens mittels Ätzen durch eine Ätzmaske erfolgen. Ein derartiges Ätzen kann eine Naßätzung oder eine Trockenätzung durch eine Ätzmaske hindurch umfassen. Eine weitere Möglichkeit der Strukturierung der einen Metallschicht auf der Oberseite des Schaltungsträgers besteht in der Möglichkeit einer Laserablation, die selektiv durch Laserscannen ohne eine vorbereitende Maske durchgeführt werden kann. Wird eine bondbare Beschichtung in Form einer kupferdiffusionshemmenden Schicht und anschließend eine Edelmetallschicht aus Gold, Silber oder Legierungen derselben aufgebracht, so hat sich für dieses Aufbringen eine elektrolytische Abscheidung bewährt, da sie großflächig für eine Schaltungsträgerplatte, die beidseitig kupferkaschiert ist, durchgeführt werden kann.
  • Eine weitere Möglichkeit besteht darin, als kupferdiffusionshemmende Schicht eine Schicht aus phosphordotiertem Nickel mittels Schablonendruck aufzubringen, die gleichzeitig auch als bondbare Beschichtung dienen kann. Der Schablonendruck hat den Vorteil, dass diese kupferdiffusionshemmende Schicht auch nach der Strukturierung der Metallschicht auf der Oberseite des Schaltungsträgers selektiv auf die Kontaktanschlußflächen aufgebracht werden kann.
  • Bei einem weiteren Durchführungsbeispiel des Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Thermokompressionsköpfe mittels Thermokompressionsbonden oder Thermokompressions-Ultraschallbonden auf die inneren Flachleiterenden und/oder auf die beschichteten Kontaktanschlußflächen aufgebracht werden. Sowohl die Aufbringung auf den Kontaktanschlußflächen einer Schaltungsträgerplatte als auch das Aufbringen der Thermokompressionsköpfe auf die inneren Flachleiter vor dem Zusammenbau von inneren Flachleiterenden mit den Schaltungsträgern hat jeweils Vorteile. In beiden Fällen kann für eine Vielzahl von Leistungsmodulen die erforderliche Anzahl von Thermokompressionsköpfen parallel aufgebracht werden.
  • In einem weiteren Durchführungsbeispiel des Verfahrens werden die Leistungshalbleiterchips auf den Kontaktinseln des Schaltungsträgers in jeder Modulbauposition des Systemträgers mittels Löttechnik elektrisch verbunden und mechanisch fixiert. Eine derartige Löttechnik hat den Vorteil einer hohen Zuverlässigkeit und damit einer hohen Lebensdauer für das Leistungsbauteil und kann sowohl vor dem Anbringen der Thermokompressionsköpfe als nach dem Anbringen der Thermokompressionsköpfe eingesetzt werden. Demgegenüber gibt es eine Möglichkeit, die Leistungshalbleiterchips auf den Kontaktinseln des Schaltungsträgers mit Hilfe eines leitfähigen Klebstoffs elektrisch zu verbinden und mechanisch zu fixieren. Bei dieser Verfahrensvariante sind äußerst geringe Temperaturen vorgesehen, weil lediglich zum Aushärten des Klebstoffs eine geringe Temperaturerhöhung zur Vernetzung des Klebstoffs zu einem Duroplast erforderlich ist. Da das Klebeverfahren mit geringeren Kosten verbunden ist als das Lötverfahren, wird das Klebeverfahren dann angewandt, wenn preiswerte Leistungsmodule herzustellen sind, die geringeren betrieblichen Belastungen ausgesetzt sind.
  • Bei einem weiteren Durchführungsbeispiel des Verfahrens können die Elektroden auf den aktiven Oberseiten des Leistungshalbleiterchips untereinander und/oder mit den Leiterbahnen der strukturierten Metallschicht des Schaltungsträgers über Bondverbindungen elektrisch verbunden werden. Die Vorteile dieses Verfahrens sind die hohe Flexibilität der Schaltungsstrukturierung, die noch nach dem Bestücken des Schaltungsträgers mit Leistungshalbleiterchips erfolgen kann.
  • Prinzipiell kann jedes Leistungsmodul in einem Gehäuse aus einem Kunststoff gefüllt mit Silikongel, jedoch in vielen Fällen ist es vorteilhaft, die Umhüllung durch einen Kunststoffspritzguß-Prozess, dem sogenannten Transfermolding herzustellen, da damit gleichzeitig die Bonddrähte, die Halbleiterchips und auch Thermokompressionsköpfe der Verbindung von inneren Flachleiterenden und Kontaktanschlußflächen durch dieses Kunststoffgehäuse geschützt und mechanisch stabilisiert werden.
  • Das Trennen des Systemträgers, der mehrere Modulbaupositionen aufweist, in einzelne Multichip-Leistungsmodule kann am Ende des Verpackens der Leistungsmodule in ein Kunststoffgehäuse durch Stanztechnik erfolgen. Das Stanzverfahren hat nämlich den Vorteil, dass gleichzeitig mit dem Trennen der aus dem Gehäuse herausragenden äußeren Flachleiter von dem Systemträgerrahmen die äußeren Flachleiterenden gekröpft und in ihrer räumlichen Gestaltung der geplanten Anwendung angepaßt werden können.
  • Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Erfindung auf einem "stud bump"-Verfahren beruht. Dieses "stud bump"- Verfahren ist ein Thermokompressionsverfahren, bei dem ein angeschmolzener Bonddrahttropfen auf eine Metallfläche gepreßt wird und anschließend abgerissen wird. Die Thermokompressionsköpfe werden auch "nail heads" genannt. Bei diesem "nail head"-Verfahren oder auch Thermokompressionsverfahren entstehen Kontaktierungshöcker, sogenannte "bumps", beispielsweise aus einer Goldlegierung. Anschließend kann die Schaltungsträgerplatte "geflippt" bzw. gewendet werden und mittels Temperatur, Ultraschall und Druck mit entsprechenden Flachleitern eines Flachleiterrahmens bzw. "lead frame" elektrisch verbunden werden. Eine gewisse Anzahl dieser "bumps" wird an der Unterseite des "lead frame" oder an der Oberseite des Schaltungsträgers jeweils an den dafür vorgesehenen Kontaktanschlußflächen aufgebracht. Der "lead frame" und der Schaltungsträger werden zusammen justiert und mittels Temperatur, Ultraschall und Druck dauerhaft miteinander verbunden. Diese Verbindung ist in dem für alle bekannten "back-end"- Prozesse relevanten Temperaturbereich mechanisch stabil. Die Anzahl der "bumps" pro Kontaktanschlußfläche wird definiert durch die geforderte mechanische Festigkeit der Fügeverbindung beziehungsweise durch die geforderte Stromdichte in der Fügeverbindung. Der Fügeprozeß selbst kann entweder ganz zu Beginn des Montageprozesses oder zu einem späteren Zeitpunkt innerhalb des Assembly-Prozesses erfolgen.
  • Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
  • Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Leistungsmodul gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
  • Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Schaltungsträger für ein Leistungsmodul mit Thermokompressionsköpfen auf Kontaktanschlußflächen vor dem Aufbringen von inneren Flachleiterenden,
  • Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Schaltungsträger eines Leistungsmoduls vor dem Aufbringen von mit Thermokompressionsköpfen bestückten inneren Flachleiterenden,
  • Fig. 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen mit Leistungsbauelementen bestücken Schaltungsträger für ein Leistungsmodul vor dem Aufbringen von mit Thermokompressionsköpfen bestückten inneren Flachleiterenden,
  • Fig. 5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen mit Leistungsbauelementen bestückten Schaltungsträger für ein Leistungsmodul mit Thermokompressionsköpfen auf Kontaktanschlußflächen vor dem Aufbringen von inneren Flachleiterenden,
  • Fig. 6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Leistungsmodul nach dem elektrischen und mechanischen Verbinden von Kontaktanschlußflächen des Schaltungsträgers mit inneren Flachleiterenden vor einem Verpacken in einem Gehäuse,
  • Fig. 7 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Modulbauteilposition eines Systemträgers mit Flachleitern und auf einen in der Modulbauposition über Thermokompressionsköpfe elektrisch und mechanisch mit inneren Flachleiterenden verbundenen und mit Leistungsbauteilen bestückten Schaltungsträger vor einem Verpacken in einem Gehäuse.
  • Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Leistungsmodul 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das Bezugszeichen 2 kennzeichnet eine Isolationsplatte, welche die mechanische Grundplatte eines Schaltungsträgers 3 bildet. Dieser Schaltungsträger 3 kann aus einer mehrere Schaltungsträger 3 aufweisenden Schaltungsträgerplatte 4 herausgetrennt worden sein. Das Bezugszeichen 5 kennzeichnet die Oberseite des Schaltungsträgers 3 beziehungsweise der Schaltungsträgerplatte 4, wobei auf dieser Oberseite 5 eine strukturierte Metallschicht 6 angeordnet ist. Das Bezugszeichen 7 kennzeichnet Leistungsbauelemente, die in dieser Ausführungsform Leistungshalbleiterchips 23 sind, wobei die Leistungsbauelemente 7 auf den Kontaktinseln 24 angeordnet sind. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist in diesem Querschnitt ein Leistungstransistor 29 und eine Leistungsdiode 30 auf einer gemeinsamen Kontaktinsel 24 angeordnet, die über eine Leiterbahn 14 mit einer Kontaktanschlußfläche 11 auf dem Schaltungsträger 3 in Verbindung steht. Somit sind die Kathode der Leistungsdiode 30 und der Kollektor des Leistungstransistors 29 elektrisch miteinander verbunden, ferner sind über Bondverbindungen 17 der Emitter des Leistungstransistors 29 und die Anode der Leistungsdiode 30 verbunden.
  • Das Bezugszeichen 8 kennzeichnet einen Flachleiter, der mit seinem äußeren Flachleiterende 12 aus dem Gehäuse 13 des Leistungsmoduls 1 herausragt und mit seinem inneren Flachleiterende 9 über Thermokompressionsköpfe 10 mit der Kontaktanschlußfläche 11 verbunden ist.
  • In dieser Ausführungsform der Erfindung sind drei Thermokompressionsköpfe zwischen dem inneren Flachleiterende und der Kontaktfläche 11 angeordnet, wobei diese Anzahl von drei Thermokompressionsköpfen ausreicht, um sowohl die Forderungen an die Stromdichte als auch an die mechanische Festigkeit für dieses Leistungsmodul zu erfüllen. Die aus dem Gehäuse herausragenden äußeren Flachleiterenden sind leicht gekröpft, um das Befestigen an einer übergeordneten Schaltungsplatine zu erleichtern.
  • Das Bezugszeichen 15 kennzeichnet die Elektroden der Leistungshalbleiterchips 23, wobei der Transistor mindestens zwei Elektroden 15 auf seiner aktiven Oberseite aufweist, nämlich eine Emitterelektrode und eine Basiselektrode eines dipolaren Leistungstransistors und die Leistungsdiode 30mindestens eine Elektrode, nämlich die Anode auf der aktiven Oberseite aufweist.
  • Das äußere Flachleiterende dieses Querschnitts auf der rechten Seite der Abbildung ist über die inneren Flachleiterenden 9, die Thermokompressionsköpfe 10, die Kontaktanschlußflächen 11, die Leiterbahnen 14 und die Kontaktinseln 24 mit der Kathode der Leistungsdiode 30 und dem Kollektor des Leistungstransistors 29 elektrisch verbunden. Der Flachleiter 8 auf der linken Seite dieser Querschnittsabbildung ist über das innere Flachleiterende 9 und die Thermokompressionsköpfe 10, die Kontaktanschlußfläche 11 und die Leiterbahn 14 sowie die Bondverbindung 17 mit dem Emitter des Leistungstransistors 29 verbunden. Die Flachleiter 8 sind Teile eines Systemträgers 26, der mehrere Modulbaupositionen 25 aufweist, aus denen das Leistungsmodul 1, wie es in Fig. 1 gezeigt wird, herausgestanzt wurde. Bei diesem Herausstanzen des Leistungsmoduls 1 wurden gleichzeitig die äußeren Flachleiterenden 12 gekröpft.
  • Das Bezugszeichen 20 kennzeichnet die Unterseite des Schaltungsträgers 3, die von einer geschlossenen Metallschicht 21 bedeckt ist. Diese geschlossene Metallschicht 21 auf der Unterseite 20 des Schaltungsträgers 3 bildet gleichzeitig die Unterseite des Leistungsmoduls. Diese Konstruktion hat den Vorteil, dass die Wärme, die in den Leistungsbauelementen 7 entsteht, über diese Metallschicht abgeführt werden kann. Zur Verstärkung der Wärmeableitung und damit der Kühlung kann diese Metallschicht mit einem Kühlkörper oder Wärmeleitungsblock verbunden werden. Ein derartiges Leistungsmodul 1 ist äußerst zuverlässig, da durch die Verbindung zwischen inneren Flachleitern 9 und Kontaktanschlußflächen 11 über Thermokompressionsköpfe 10 eine mechanisch stabile und elektrisch zuverlässige Anbindung der in der Kunststoffgehäusemasse verpackten Leistungshalbleiterchips 23 mit den Flachleitern 8 gewährleistet ist.
  • Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Schaltungsträger 3 für ein Leistungsmodul mit Thermokompressionsköpfen 10 auf Kontaktanschlußflächen 11 vor dem Aufbringen von inneren Flachleiterenden 9. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in Fig. 1 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
  • Der Schaltungsträger 3, der ein Teil einer Schaltungsträgerplatte 4 ist und aus dieser herausgetrennt ist, besteht im wesentlichen aus einer Keramikplatte 18, die aus Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Magnesiumoxid oder Siliciumcarbid oder Mischungen derselben aufgebaut ist. Diese Keramikplatte weist auf ihrer Unterseite eine geschlossene Metallschicht 21 auf, die gleichzeitig die Unterseite des künftigen Leistungsmoduls bildet. Auf der Oberseite 5 der Schaltungsträgerplatte 4 ist eine strukturierte Metallschicht 6 aufgebracht, die im wesentlichen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht und mit einer bondbaren Beschichtung 22 beschichtet ist. Diese bondbare Beschichtung 22 kann einlagig aus phosphordotiertem Nickel bestehen, wobei der Phosphoranteil zwischen 5 und 10 Gew.-% beträgt.
  • Diese kupferdiffusionshemmende Schicht verhindert, dass Kupferionen zu den Thermokompressionsköpfen 10 diffundieren können, und die Bondverbindung verspröden könnte. Der Schaltungsträger 3 weist auf seiner Oberfläche 5 noch keine Leistungshalbleiterchips auf, hat jedoch bereits Thermokompressionsköpfe 10 auf seiner Kontaktanschlußfläche 11 angeordnet. Auf diese Thermokompressionsköpfe 10 wird in Pfeilrichtung A das innere Flachleiterende 9 bei erhöhter Temperatur, Druck und Ultraschall im Thermokompressionsverfahren aufgebracht. Dazu kann das innere Flachleiterende 9 ebenfalls mit einer bondbaren Beschichtung 22 ausgestattet sein. Diese bondbare Beschichtung 22 aus einer kupferdiffusionshemmenden und einer Edelmetall-Lage erleichtert das Bonden der Flachleiterenden auf den Thermokompressionsköpfen 10 des Schaltungsträgers 3.
  • Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Schaltungsträger 3 eines Leistungsmoduls vor dem Aufbringen von mit Thermokompressionsköpfen 10 bestückten inneren Flachleiterenden 9. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
  • Auch in der Ausführungsform der Fig. 3 ist der Schaltungsträger 3 noch nicht mit Leistungshalbleiterchips bestückt und weist auf seiner Oberfläche lediglich eine strukturierte Metallschicht 22 auf, die im wesentlichen aus Chipinseln 24, Leiterbahnen 14 und Kontaktanschlußflächen 11 besteht. Im Gegensatz zur Ausführungsform nach Fig. 3 sind in dieser Ausführungsform die Thermokompressionsköpfe 10 zunächst auf die inneren Flachleiterenden 9 gebonded und damit auf dem Systemträger 26, der mehrere Modulbaupositionen 25 aufweist und folglich eine Vielzahl von Flachleitern und inneren Flachleiterenden 9 besitzt, die parallel mit Thermokompressionsköpfen 10 bestückt werden können. In jeder der Modulbaupositionen 25 kann dann ein entsprechend präparierter Schaltungsträger 3, der auf seinen Kontaktanschlußflächen 11 keine Thermokompressionsköpfe aufweist, mit dem Thermokompressionsköpfe 10 aufweisenden inneren Flachleiterenden 9 mechanisch und elektrisch verbunden werden, indem in Pfeilrichtung A die inneren Flachleiterenden 9 auf die Kontaktanschlußflächen 11 gebondet werden.
  • Fig. 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen mit Leistungsbauelementen 7 bestückten Schaltungsträger 3 für ein Leistungsmodul vor dem Aufbringen von mit Thermokompressionsköpfen 10 bestückten inneren Flachleiterenden 9. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
  • Bei dieser Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 4 wird zunächst eine Schaltungsträgerplatte 4 in voller Größe für mehrere Schaltungsträger 3 vollständig hergestellt, das heißt, sie wird in jeder einzelnen Position der Schaltungsträger 3 mit Leistungshalbleiterchips 23 bestückt und die Elektroden der Leistungshalbleiterchips werden entweder untereinander oder mit den Leiterbahnen 14 über Bondverbindungen elektrisch verbunden. Erst danach wird die Schaltungsträgerplatte 4, die mehrere Schaltungsträger 3 umfaßt, in eine Modulbauposition 25 eines Systemträgers 24 verbracht und dort auf die vorbereiteten inneren Flachleiter 9, die bereits mit Thermokompressionsköpfen 10 bestückt sind, gebonded. Dazu kann wiederum der Systemträger mit seinen Flachleiterenden in Pfeilrichtung A abgesenkt werden oder umgekehrt der Schaltungsträger mit den Halbleiterchips und den Bondverbindungen in Richtung auf den Systemträger verbracht werden.
  • Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 2 weist diese Ausführungsform der Erfindung fünf Thermokompressionsköpfe pro Fügeverbindung auf, um eine höhere Stromdichte und eine größere mechanische Festigkeit zu gewährleisten.
  • Fig. 5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen mit Leistungsbauelementen 7 bestückten Schaltungsträger 3 für ein Leistungsmodul mit Thermokompressionsköpfen 10 auf Kontaktanschlußflächen 11 vor dem Aufbringen von inneren Flachleiterenden 9. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
  • In dieser Ausführungsform nach Fig. 5 ist im Gegensatz zur Ausführungsform nach Fig. 4 der Schaltungsträger 3 mit Thermokompressionsköpfen 10 auf den Kontaktanschlußflächen 11 bestückt, so dass der Schaltungsträger 3 in Richtung auf die inneren Flachleiterenden 9 bewegt werden kann, um eine Bondverbindung über die Thermokompressionsköpfe 10 zu den inneren Flachleitern 9 herzustellen. Im Gegensatz zu den Ausführungsformen nach Fig. 2 und 3 weist diese Ausführungsform der Fig. 5 bereits auf dem Systemträger 3 die Komponenten des Leistungsmoduls auf, die auch bereits durch Bondverbindungen vollständig verdrahtet sind, so dass das Aufbringen der inneren Flachleiterenden auf den Kontaktanschlußflächen unmittelbar vor dem Verpacken des Leistungsmoduls in einem Gehäuse stattfindet.
  • Fig. 6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Leistungsmodul 1 nach dem elektrischen und mechanischen Verbinden von Kontaktanschlußflächen 11 des Schaltungsträgers 3 mit inneren Flachleiterenden 9 vor einem Verpacken in einem Gehäuse. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
  • Im Prinzip zeigt die Fig. 6 das Ergebnis der Verfahrensschritte der Fig. 2, 3, 4 und 5, jedoch ist dieses Ergebnis hier beschränkt auf drei Thermokompressionsköpfe 10 und zeigt nicht, wie in den Fig. 3 und 4, fünf Thermokompressionsköpfe. Daraus wird deutlich, dass mit Hilfe der Anzahl der Thermokompressionsköpfe das Leistungsmodul den Anforderungen an mechanischer Festigkeit und elektrischer Stromdichte in dem Bereich der Verbindung zwischen inneren Flachleitern 9 und Kontaktanschlußflächen 11 angepaßt werden kann. Der Unterschied zu dem in Fig. 1 dargestellten Querschnitt eines Leistungsmoduls besteht darin, dass die Flachleiter im Fall der Fig. 1 zu beiden Seiten aus dem Gehäuse herausragen, während sie in Fig. 6 nur zu einer Seite aus dem Gehäuse herausragen können.
  • Fig. 7 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Modulbauposition eines Systemträgers 26 mit Flachleitern 8 und auf einen in der Modulbauposition 25 über Thermokompressionsköpfe 10 elektrisch und mechanisch mit inneren Flachleiterenden 9 verbundenen und mit Leistungsbauelementen 23 bestückten Schaltungsträger 3 vor einem Verpacken in einem Gehäuse. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
  • In dieser Darstellungsweise der Fig. 7 ist der Schaltungsträger mit den Leistungsbauelementen 7 unterhalb des Systemträgers 26 angeordnet. In Fig. 7 wird lediglich eine der Modulbaupositionen 25 eines Systemträgers 26 dargestellt, wobei jede Modulbauposition 25 von einem Systemträgerrahmen 27 umgeben ist, von dem aus sich Flachleiter 8 in Richtung auf das Zentrum des Schaltungsträgerrahmen 27 erstrecken. Die Flachleiter 8 sind mit ihrem äußeren Ende 12 an dem Systemträgerrahmen befestigt und mit ihren inneren Flachleiterenden 9 überragen sie den Schaltungsträger 3.
  • Mit gestrichelter Linie 28 ist die Stanzspur gekennzeichnet, in der ein Stanzwerkzeug das Leistungsmodul aus dem Systemträgerrahmen stanzt, sobald dieses Leistungsmodul in der Modulbauposition 25 in einem Gehäuse verpackt ist. Die Thermokompressionsköpfe 10, die zwischen dem Schaltungsträger 3 mit seinen Kontaktanschlußflächen 11 und den inneren Flachleiterenden 9 angeordnet sind, sind in der Darstellung der Fig. 7 gestrichelt. Diese Ausführungsform der Fig. 7 umfaßt ein "six-pack"-Bauteil, das aus sechs Leistungstransistoren 29 besteht, die über sechs äußere Flachleiter 101, 102, 103, 104, 105 und 106 angesteuert werden und mit sechs Leistungsdioden 30 zusammenwirken. Bezugszeichenliste 1 Leistungsmodul
    2 Isolationsplatte
    3 Schaltungsträger
    4 Schaltungsträgerplatte
    5 Oberseite des Schaltungsträgers beziehungsweise der Schaltungsträgerplatte
    6 strukturierte Metallschicht
    7 Leistungsbauelement
    8 Flachleiter
    9 innere Flachleiterenden
    10 Thermokompressionsköpfe
    11 Kontaktanschlußfläche
    12 äußere Flachleiterenden
    13 Gehäuse des Leistungsmoduls
    14 Leiterbahnen
    15 Elektroden
    16 aktive Oberseite der Leistungshalbleiterchips
    17 Bondverbindungen
    18 Keramikplatte
    19 glasfaserverstärktes Kunstharz
    20 Unterseite des Schaltungsträger
    21 geschlossene Metallschicht
    22 bondbare Beschichtung
    23 Leistungshalbleiterchips
    24 Kontaktinseln
    25 Modulbauposition
    26 Systemträger
    27 Systemträgerrahmen
    28 gestrichelte Linie der Stanzspuren
    29 Leistungstransistoren
    30 Leistungsdiode

Claims (33)

1. Leistungsmodul mit einer beidseitig metallbeschichteten Isolationsplatte (2) als Schaltungsträger (3), der auf seiner Oberseite (5) eine strukturierte Metallschicht (6) aufweist und mit Leistungsbauelementen (7) bestückt ist, wobei das Leistungsmodul (1) Flachleiter (8) aufweist, deren innere Flachleiterenden (9) über Thermokompressionsköpfe (10) mit Kontaktanschlußflächen (11) der strukturierten Metallschicht (6) elektrisch verbunden sind und deren äußere Flachleiterenden (12) aus dem Gehäuse (13) des Leistungsmoduls (1) herausragenden.
2. Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsbauelemente (7) über Leiterbahnen (14) der strukturierten Metallschicht (6) untereinander und/oder mit den Kontaktanschlussflächen (11) verbunden sind.
3. Leistungsmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Elektroden (15) auf aktiven Oberseiten (16) der Leistungsbauelemente (7) mit den Leiterbahnen (14) und/oder den Kontaktanschlussflächen (11) der strukturierten Metallschicht (6) über Bondverbindungen (17) verbunden sind.
4. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (3) als Isolationsplatte (2) eine Keramikplatte (18) aufweist, die SiO2, Al2O3, Si3N4, ZrO2, MgO oder SiC oder Mischungen derselben aufweist.
5. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (3) als Isolationsplatte (2) ein glasfaserverstärktes Kunstharz (19) aufweist.
6. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (3) auf seiner Unterseite (20) eine geschlossene Metallschicht (21) aufweist.
7. Leistungsmodul nach einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschichten (6, 21) des Schaltungsträgers (3) Kupfer oder eine Kupferlegierung aufweisen.
8. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Kontaktanschlussflächen (11) eine bondbare Beschichtung (22) und auf der bondbaren Beschichtung (22) die Thermokompressionsköpfe (10) angeordnet sind.
9. Leistungsmodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die bondbare Beschichtung (22) eine kupferdiffusionshemmende Schicht und/oder eine Edelmetallschicht aufweist.
10. Leistungsmodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die kupferdiffusionshemmende Schicht Nickel oder eine Nickellegierung aufweist.
11. Leistungsmodul nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Edelmetallschicht Gold, Silber, Aluminium oder Legierungen derselben aufweist.
12. Leistungsmodul nach einem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktanschlußflächen (11) eine phosphordotierte Nickelbeschichtung aufweisen.
13. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktanschlußflächen (11) auf ihrer kupferdiffusionshemmenden Schicht eine wenige zehn Nanometer dicke Beschichtung aus Gold oder einer Goldlegierung aufweisen.
14. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beidseitigen Metallschichten (6, 21) des Schaltungsträgers (3) identische kupferdiffusionshemmende und/oder Edelmetallbeschichtungen aufweisen.
15. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermokompressionsköpfe (10) Gold, Aluminium, Kupfer und/oder Legierungen derselben aufweisen.
16. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachleiter (8) Kupfer oder eine Kupferlegierung aufweisen.
17. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Flachleiterenden (9) eine kupferdiffusionshemmende und/oder Edelmetallbeschichtung aufweisen, deren Zusammensetzung der bondbaren Beschichtung (22) auf den Kontaktanschlußflächen (11) entspricht.
18. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden An Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsmodul (1) ein Multichipmodul mit auf dem Schaltungsträger (3) angeordneten Leistungshalbleiterchips (23) ist.
19. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsmodul (1) eine Steuerung für einen Elektromotor aufweist.
20. Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls, das folgende Verfahrensschritte aufweist:
- Bereitstellen einer Schaltungsträgerplatte (4) mit Kontaktinseln (24), Leiterbahnen (14) und Kontaktanschlussflächen (11) einer strukturierten Metallschicht (6) in mehreren Modulbaupositionen (25),
- Beschichten mindestens der Kontaktanschlussflächen (11) mit einer bondbaren Beschichtung (22),
- Aufbringen von Thermokompressionsköpfen (10) auf die Kontaktanschlussflächen (11),
- Trennen der Schaltungsträgerplatte (4) in einzelne Schaltungsträger (3) für jede Modulbauposition (25),
- Bereitstellen eines Systemträgers (26) mit einem Systemträgerrahmen, von dem aus sich Flachleiter (8) mit inneren Flachleiterenden (9) in Richtung auf mehrere Modulbaupositionen (25) erstrecken,
- Ausrichten und Verbinden der Thermokompressionsköpfe (10) auf den Kontaktanschlussflächen (11) jedes Schaltungsträgers (3) mit den inneren Flachleiterenden (25) von jedem Flachleiterrahmen in den Modulbaupositionen (25) des Systemträgers (26),
- Aufbringen mehrerer Leistungsbauelemente (7) in jeder Modulbauposition (25),
- Aufbringen von Bondverbindungen (17),
- Verpacken jeder Modulbauposition (25) des Systemträgers (26) mit auf Schaltungsträgern angeordneten Leistungsbauelementen (7) in einem Gehäuse (13),
- Trennen des Systemträgers (26) in einzelne Multichip-Leistungsmodule (1).
21. Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls (1), das folgende Verfahrensschritte aufweist:
- Bereitstellen einer Schaltungsträgerplatte (4) mit mehreren Modulbaupositionen (25), die Kontaktinseln (24), Leitungsbahnen (14) und Kontaktanschlußflächen (11) einer strukturierten Metallschicht (6) aufweisen,
- selektives Beschichten der Kontaktanschlussflächen (11) mit einer bondbaren Beschichtung (22),
- Bestücken der Schaltungsträgerplatte (4) mit mehreren Leistungsbauelementen (7) in jeder Modulbauposition (25),
- Aufbringen von Bondverbindungen (17) in jeder Modulbauposition (25),
- Aufbringen von Thermokompressionsköpfen (10) auf die Kontaktanschlussflächen (11),
- Trennen der Schaltungsträgerplatte (4) in einzelne Schaltungsträger (3) für jede Modulbauposition (25),
- Bereitstellen eines Systemträgers (26) mit einem Systemträgerrahmen von dem aus sich Flachleiter (8) mit inneren Flachleiterenden (9) in Richtung auf mehrere Modulbaupositionen (25) erstrecken,
- Ausrichten und Verbinden der Thermokompressionsköpfe (10) auf den Kontaktanschlußflächen (6) jedes Schaltungsträgers (3) mit den inneren Flachleiterenden (9) von jedem Flachleiterrahmen in den Modulbaupositionen (25) des Systemträgers (26),
- Verpacken jeder Modulbauposition (25) des Systemträgers (26) mit auf Schaltungsträgern (3) angeordneten Leistungsbauelementen (7) in einem Gehäuse (13),
- Trennen des Systemträgers (26) in einzelne Multichip-Leistungsmodule (1).
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das als Schaltungsträger (3) eine doppelseitig kupferkaschierte Isolationsplatte (2) bereitgestellt wird, deren eine Kupferschicht mit Kontaktinseln (24) zum Fixieren der Leistungshalbleiterchips (23), Leiterbahnen (13) und Kontaktanschlußflächen (11) strukturiert wird, während die gegenüberliegende Kupferschicht als geschlossene Metallschicht beibehalten wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturieren der Metallschicht (6) mittels Ätzen durch eine Ätzmaske erfolgt.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturieren der Metallschicht (6) mittels Naßätzung oder Trockenätzung durch eine Ätzmaske hindurch erfolgt.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturieren der Metallschicht (6) mittels Laserablation durchgeführt wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass als bondbare Beschichtung (22) zunächst eine kupferdiffusionshemmende und anschließend eine Metallschicht aus Gold, Silber oder Legierung derselben mittels elektrolytische Abscheidung aufgebracht wird.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass als eine kupferdiffusionshemmende Schicht eine Schicht aus phosphordotiertem Nickel mittels Schablonendruck aufgebracht wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermokompressionsköpfe (10) mittels Thermokompressionsbonden oder Thermokompressionssonicbonden auf die inneren Flachleiterenden (9) und/oder auf die beschichteten Kontaktanschlußflächen (11) aufgebracht werden.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass Leistungshalbleiterchips (23) auf den Kontaktinseln (24) des Schaltungsträgers (3) in jeder Modulbauposition (25) des Systemträgers (26) mittels Löttechnik elektrisch verbunden und mechanisch fixiert werden.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass Leistungshalbleiterchips (23) auf den Kontaktinseln (24) des Schaltungsträgers (3) in jeder Modulbauposition (25) des Systemträgers (26) mittels Klebetechnik mechanisch fixiert und/oder mittels eines leitfähigen Klebstoffes elektrisch verbunden werden.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass Elektroden (15) auf den aktiven Oberseiten (16) der Leistungshalbleiterchips (23) untereinander und/oder mit den Leiterbahnen (14) der strukturierten Metallschicht (6) über Bondverbindungen (17) elektrisch verbunden werden.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass das Verpacken jeder Modulbauposition (25) in einem Gehäuse (13) mittels Hochdruckspritzgußtechnik für ein Kunststoffgehäuse durchgeführt wird.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennen des Systemträgers (26) in einzelne Multichip-Leistungsmodule (1) mittels Stanztechnik durchgeführt wird.
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