DE10200372A1 - Leistungshalbleitermodul - Google Patents

Leistungshalbleitermodul

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DE10200372A1
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semiconductor module
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electrically
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Mark Bakran
Hans-Guenter Eckel
Karl Fleisch
Hans-Joachim Knaak
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Siemens AG
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Abstract

Leistungshalbleitermodul mit mindestens einem Halbleiterbauelement (8) in Scheibenform, einem Substrat (4, 5, 6, 7), bestehend aus einer elektrisch isolierenden Platte (4), und darauf befindlichen, elektrisch leitenden Metallisierungsstrukturen (5, 6, 7) aufweist, wobei eine der Kontaktflächen des Halbleiterbauelements (8) mit einer der Metallisierungsstrukturen (5, 6, 7) elektrisch und thermisch leitend sowie mechanisch fest mittels stofflicher Verbindung verbunden ist und mindestens eine der Kontaktflächen mittels einer Drahtverbindung (11, 14, 15) mit einer anderen Metallisierungsstruktur(5, 7) in Kontakt steht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul.
  • Leistungsdioden werden üblicherweise in zwei verschiedenen Bauformen, Chipdioden und Scheibendioden, hergestellt. Kleine quadratische Chipdioden haben eine recht hohe Durchlassspannung, eine niedrige Stoßstromfestigkeit und ein ungünstiges Verhältnis von aktiver Chipfläche zu Randpassivierung. Sie lassen sich aufgrund des positiven Temperaturkoeffizienten ihrer Durchlassspannungen parallel schalten. So werden beispielsweise bei Leistungshalbleitermodulen häufig mehrere Dioden parallel in einem Modulgehäuse auf Substrate gelötet. Die Kühlung erfolgt über die Bodenplatte des Modulgehäuses. Der thermische Übergang ist dabei aufgrund der Lötung gut. Die elektrische Kontaktierung wird auf der Unterseite durch auf das Substrat aufgebrachte Kupferbahnen und auf der Oberseite durch Bondverbindungen hergestellt. Die Isolierung erfolgt durch das Substrat, das beispielsweise aus Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid besteht. Die Modulgehäuse werden dabei in gleicher Weise für Dioden, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) sowie für beide zusammen verwendet. Ein derartiges Modul ist beispielsweise aus der DE 44 21 319 A1 bekannt. Umrichterkonstruktionen mit derartigen Leistungshalbleitermodulen sind daher sehr universell einsetzbar.
  • Große, kreisrunde Scheibendioden lassen sich aufgrund des negativen Temperaturkoeffizienten ihrer Durchlassspannung nicht parallel schalten. Sie haben jedoch bessere elektrische Eigenschaften und durch ihre Größe ein besseres Verhältnis zwischen aktiver Fläche und Randpassivierung. Sie werden durchkontaktiert, wobei ein zur elektrischen Kontaktierung und zur Lagerung vorgesehener Spannverband entweder in dem Leistungsmodul integriert ist oder vom Anwender realisiert werden muss. Bei einem Leistungshalbleitermodul mit integriertem Spannverband erfolgt die Kühlung ebenfalls über die Bodenplatte und die elektrische Isolierung durch das Substrat. Ein Modul mit integriertem Spannverband hat eine erheblich höhere Bauhöhe als die oben erwähnten Leistungshalbleitermodule mit Lötkontakt. Scheibendioden lassen sich daher nicht in Konstruktionen einsetzen, die für aufgelötete Chipdioden aufweisende Leistungshalbleitermodule ausgelegt wurden. Bei vom Anwender zu realisierenden Durchkontaktierungen muss die Isolierung zwischen Diode und Kühlung mittels Keramikscheiben erfolgen. Eine derartige Konstruktion ist nicht für Umrichterkonstruktionen geeignet.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Leistungshalbleitermodul zu schaffen, das einerseits die besseren elektrischen Eigenschaften von Scheibendioden ausnützt und andererseits die mechanischen Eigenschaften von Modulen mit Chipdioden aufweist.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Leistungshalbleitermodul gemäß Patentanspruch 1. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Vorteil der erfindungsgemäßen Leistungshalbleiermodule ist es, dass die darin verwendeten Scheibendioden eine geringere Durchlassspannung sowie eine geringere Siliziumfläche aufweisen, da eine einzelne große Diode weniger Randfläche benötigt als viele kleine Dioden. Andererseits sind die äußeren Abmessungen mit denen von Chipdiodenmodulen identisch oder zumindest vergleichbar, so dass ein mechanischer Ersatz von "Chipdiodenmodulen" durch "Scheibendiodenmodule" bei wie gesagt verbesserten elektrischen Eigenschaften möglich ist. Darüber hinaus ist es möglich, die elektrisch vorteilhaften Scheibendioden zusammen mit IGBTs in einem einzigen gemeinsamen Gehäuse unterzubringen, was bisher nur den Chipdioden vorbehalten war. Es können also die üblichen IGBT-Modulgehäuse mit Scheibendioden verschiedener Größe bestückt werden, die dann beispielsweise als Freilaufdioden den IGBTs parallelgeschaltet werden oder als Rückschwingdiode oder Gleichrichterdiode einzeln eingesetzt werden können. Darüber hinaus ist bei den erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodulen die Wärmeabfuhr der Scheibenzellen aufgrund der stofflichen Verbindung verbessert und die Montierbarkeit gegenüber den bisherigen Halterungen für Scheibendioden deutlich verbessert.
  • Erreicht wird dies im einzelnen durch ein Leistungshalbleitermodul mit
    • - mindestens einem Halbleiterbauelement in Scheibenform, das elektrische Kontaktflächen aufweist,
    • - einem Substrat, das eine elektrisch isolierende Platte und darauf befindliche, elektrisch leitende Metallisierungsstrukturen aufweist (z. B. DCB, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Beryliumoxid mit Kupfermetallisierung),
    • - wobei eine der Kontaktflächen mit einer der Metallisierungsstrukturen mittels einer stofflichen Verbindung (Löten, Schweißen, Kleben) elektrisch und thermisch leitend sowie mechanisch fest verbunden ist und
    • - mindestens eine der Kontaktflächen mittels einer Drahtverbindung mit einer anderen Metallisierungsstruktur elektrisch in Kontakt steht.
  • Bevorzugst wird dabei das Substrat elektrisch und thermisch leitend sowie mechanisch fest mit einer Grundplatte verbunden. Auf diese Weise ist die Wärmeableitung vom Halbleiterbauelement weg verbessert.
  • Als elektrisch und thermisch leitende sowie mechanisch feste Verbindung zwischen Metallisierungsstruktur und Halbleiterbauelement und/oder zwischen Substrat und Grundplatte wird bevorzugt eine Lötverbindung oder eine NTV-Verbindung vorgesehen. Eine Alternative dazu wäre auch die Verbindung mittels leitendem Klebstoff.
  • Die Grundplatte kann mit einer Kühleinrichtung thermisch gekoppelt sein, die eine Wärmesenke für das Halbleiterbauelement darstellt. Als Kühleinrichtung kommen speziell ausgebildete Kühlkörper, Wasserkühlungen oder ähnliches infrage.
  • Als Drahtverbindung wird bevorzugt eine Bond-Verbindung vorgesehen, wie sie in der Halbleitertechnik üblich ist, angewendet. Bond-Verbindungen erlauben eine schnelle und einfach durchzuführende Verbindung zwischen zwei Punkten, wobei der Bond-Draht vorzugsweise mit den Kontaktflächen - im vorliegenden Fall die Metallisierungsschichten und die Kontaktflächen des Halbleiterbauelements - durch Mikroschweißen oder Verlöten elektrisch leitend verbunden wird.
  • Zur externen Kontaktierung werden vorzugsweise die Metallisierungsstrukturen mit externen Anschlüssen elektrisch verbunden. Die Verbindung kann dabei über speziell ausgebildete Drahtbrücken, Blechteile etc. erfolgen.
  • Vorzugsweise sind Grundplatte, Substrat und Halbleiterbauelement(e) in einem Gehäuse untergebracht, wobei die Grundplatte einen Teil der Außenwandung des Gehäuses bildet. Das Gehäuse kann dabei zumindest teilweise mit Vergussmasse (z. B. Silikon) ausgefüllt sein. Die Vergussmasse verbessert die Wärmeabfuhr und die mechanischen Eigenschaften des Moduls.
  • Schließlich kann zwischen dem Halbleiterbauelement und der Metallisierungsstruktur eine Zwischenschicht (beispielsweise eine Molybdänplatte) angeordnet sein, um vorteilhafterweise unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten aneinander anzupassen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in den beiden Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
  • Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls im Querschnitt und
  • Fig. 2 das Leistungshalbleitermodul nach Fig. 1 in der Draufsicht ohne Gehäuse.
  • Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls ist über einem Kühlkörper 1 eine Grundplatte 2, beispielsweise aus AlSiC, angeordnet, die thermisch leitend und mechanisch fest mit dem Kühlkörper 1 verbunden ist. Auf der Grundplatte 2 ist auf der dem Kühlkörper 1 gegenüberliegenden Seite eine Lotschicht 3 aufgebracht, die ein eine elektrisch isolierende Platte 4 (aus AlN) aufweisendes Substrat elektrisch und thermisch leitend sowie mechanisch fest mit der Grundplatte 2 verbindet.
  • Auf der nicht verlöteten Seite der Platte 4 sind Metallisierungsstrukturen 5, 6 und 7 angeordnet, die fest mit der Platte 4 verbunden sind. Auf der Metallisierungsstruktur 6 befindet sich dabei ein scheibenförmiges Halbleiterbauelement 8, das über eine Lotschicht 9 auf eine Molybdänplatte 10 aufgelötet ist. Die Molybdänplatte 10 ist ihrerseits auf der Metallisierungsstruktur 6 verschweißt.
  • Das scheibenförmige Halbleiterbauelement 8 ist an seiner Oberseite über einen Bond-Draht 11 mit einer Metallisierungsstruktur 5 verbunden, auf der auch ein Halbleiterchip 12 mittels einer Lotschicht 13 aufgelötet ist. Der Halbleiterchip 12 ist dabei über Bond-Drähte 14 und 15 mit der Metallisierungsstruktur 6 bzw. einer Metallisierungsstruktur 7 verbunden. Von den Metallisierungsstrukturen 5, 6 und 7 führen jeweils Kontaktbrücken 16, 17, 18 durch ein die Platte 4, die Metallisierungsstrukturen 5, 6, 7, die Molybdänplatte 9, das scheibenförmige Halbleiterbauelement 8 sowie den Halbleiterchip 12 umgebendes Gehäuse 19 externe Anschlüsse bildend nach außen. Das Gehäuse 19, das an fünf Seiten aus Wänden eines topfförmigen Plastikpressteils gebildet wird, ist an der sechsten Seite durch die Grundplatte 2 abgeschlossen. Das Gehäuse 19 ist dabei vollständig mit einer Vergussmasse 20 aus Silikon ausgefüllt.
  • In Fig. 2 ist das Leistungshalbleitermodul nach Fig. 1 in der Draufsicht ohne Gehäuse dargestellt. Die Metallisierungsstruktur 5 ist dabei U-förmig in einer Ebene ausgeführt und umschließt an drei Seiten die rechteckförmig in der Ebene ausgebildete Metallisierungsstruktur 6. Die Metallisierungsstruktur 7 ist dabei neben der Metallisierungsstruktur 5 platziert. Der Halbleiterchip 12 sitzt dabei an einem Schenkel der U-förmigen Metallisierungsstruktur 5, deren anderer Schenkel die Kontaktierungsbrücke 16 und den Bonddraht 11 abschließt. Der Bonddraht 11 führt dabei auf die Oberseite des scheibenförmigen Halbleiterbauelements 8, dessen andere Seite über die Molybdänplatte 10 mit der Metallisierungsstruktur 6 verbunden ist. Auf der Metallisierungsschicht 6 endet auch der Bond-Draht 14, dessen anderes Ende mit dem Chip 12 verbunden ist. Die Metallisierungsschicht 6 ist ferner noch mit der Kontaktierungsbrücke 17 beispielsweise durch Löten verbunden. Schließlich ist über den Bond-Draht 15 der Halbleiterchip 12 mit der Metallisierungsstruktur 7 verbunden, an der die Kontaktierungsbrücke 18 fest gelötet ist.
  • In Fig. 2 ist bei der gewählten Darstellung schließlich noch das unter den Metallisierungsstrukturen 5, 6, 7 liegende Substrat 4 sowie die darunter befindliche Grundplatte 2 zu ersehen. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel dient das scheibenförmige Bauelement 8 als Freilaufdiode und der Halbleiterchip 12 als Transistor, insbesondere als Insulated-Gate-Bipolar- Transistor (IGBT).
  • Um also die mechanische Kompatibilität mit üblichen IGBT- Modulen zu erreichen, ist bei der Erfindung auf den als in seinen Abmessungen zu hoch erachteten, üblichen Spannverband verzichtet worden. Das als Diode eingesetzte scheibenförmige Halbleiterbauelement ist daher mit dem Substrat (z. B. Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrit) und dieses wiederum mit einer Bodenplatte verlötet oder mit einer NTV-Verbindung verbunden worden. Zwischen dem Substrat und der Diode wurde eine Zwischenlage in Form einer Molybdänplatte eingefügt, die gegebenenfalls aber auch weggelassen werden kann.
  • Die verbleibende elektrische Kontaktierung wird mittels Bond- Drähten vorgenommen. Die Verbindung zu den elektrischen Kontakten erfolgt durch Lötung der externen Kontakte auf das Keramiksubstrat, d. h. auf den Metallisierungsstrukturen.
  • Das so entstandene Leistungshalbleitermodul vereint die guten elektrischen Eigenschaften der Scheibendiode mit der guten Wärmeableitung einer stofflichen Verbindung. Daraus ergibt sich eine Kompatibilität mit üblichen IGBT-Modulen und eine einfache Montierbarkeit. Anstelle des als Ausführungsbeispiel gezeigten Verbunds eines IGBTs mit einer Diode kann in gleicher Weise aber auch beispielsweise die Diode allein in einem IGBT kompatiblen Gehäuse oder in Kombination mit beliebigen Bauelementen untergebracht werden.

Claims (12)

1. Leistungshalbleitermodul mit
mindestens einem Halbleiterbauelement (8) in Scheibenform, das elektrische Kontaktflächen aufweist,
einem Substrat (4-7), das eine elektrisch isolierende Platte (4) und darauf befindliche, elektrisch leitende Metallisierungsstrukturen (5, 6, 7) aufweist, wobei
eine der Kontaktflächen mit einer der Metallisierungsstrukturen (5, 6, 7) elektrisch und thermisch leitend sowie mechanisch fest mittels einer stofflichen Verbindung (9) verbunden ist und
mindestens eine der Kontaktflächen mittels einer Drahtverbindung (11, 14, 15) mit einer anderen Metallisierungsstruktur (5, 6, 7) in Kontakt steht.
2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, bei dem das Substrat (4-7) elektrisch und thermisch leitend sowie mechanisch fest mit einer Grundplatte (2) verbunden ist.
3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als elektrisch und thermisch leitende, mechanisch feste, stoffliche Verbindung eine Lötverbindung (9) und/oder eine NTV-Verbindung vorgesehen ist.
4. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Grundplatte (2)mit einer Kühleinrichtung (1) thermisch gekoppelt ist.
5. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Drahtverbindung (11, 14, 15) eine Bond-Verbindung ist.
6. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem Metallisierungsstrukturen (5, 6, 7) mit externen Anschlüssen (16, 17, 18) elektrisch verbunden sind.
7. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem weitere elektrische Bauelemente (12) mit mehreren Metallisierungsstrukturen (5, 6, 7) elektrisch verbunden sind.
8. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem Grundplatte (2), Substrat (4, 5, 6, 7) und Halbleiterbauelement(e) (8, 12) in einem Gehäuse (19, 2) untergebracht sind.
9. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 8, bei dem das Gehäuse mit Vergussmasse (20) zumindest teilweise ausgefüllt ist.
10. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem bei dem zwischen Halbleiterbauelement (8) und Metallisierungsstruktur (6) eine Zwischenschicht (8) angeordnet ist.
11. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Halbleiterbauelement (8) eine Diode ist.
12. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das weitere elektrische Bauelement (12) ein Insulated-Gate-Bipolar-Transistor ist.
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