DE102004007009A1 - Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls und Leistungsmodul - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls, umfassend ein oder mehrere auf einem Substrat (1) angeordnete leistungselektronische Bauelemente (2) mit einer oder mehreren Kontaktflächen (210), bei dem die Kontaktierung der Kontaktflächen (210) und die Ausbildung einer oder mehrerer elektrischer Verbindungen zwischen den Kontaktflächen (210) des Leistungsbauelements (2) und Kontaktflächen (112) des Substrats (1) und/oder zwischen Kontaktflächen (210) von Leistungsbauelementen (2) folgende Schritte umfasst: DOLLAR A - Auflaminieren einer Folie (3) aus elektrisch isolierendem Kunststoffmaterial auf eine von Substrat (1) und Bauelementen (2) gebildete Oberfläche (20) unter Vakuum, so dass die Folie (3) die Oberfläche (20) einschließlich Substrat (1) und Bauelementen (2) mit der oder den Kontaktflächen (210, 112) eng anliegend bedeckt und auf dieser Oberfläche (20) haftet, DOLLAR A - Freilegen jeder zu kontaktierenden Kontaktfläche (210, 112) auf der Oberfläche (20) durch Öffnen jeweiliger Fenster (31) in der Folie (3), DOLLAR A - flächiges Kontaktieren jeder freigelegten Kontaktfläche (210, 112) mit einer Schicht (4, 6) aus elektrisch leitendem Material und DOLLAR A - Erzeugen mindestens einer Leiterbahn in und/oder auf der Schicht (4, 6) aus dem elektrisch leitenden Material. DOLLAR A Ferner wird ein entsprechendes Leistungsmodul angegeben.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls und ein Leistungsmodul.
  • Leistungselektronische Bauelemente wie Transistoren und Dioden werden heute vielfach in Leistungsmodulen zusammengefasst, um bestimmte Topologien, wie Pulsumrichter und/oder Netzgleichrichter in einem Modul zu realisieren.
  • Die am weitesten verbreitete Technologie zur Kontaktierung und elektrischen Verbindung der leistungselektronischen Bauelemente untereinander, beispielsweise von einem IGBT-Chip zu einer Diode, und mit Leiterbahnen auf dem Substrat ist das Dickdrahtbonden. Mittels Ultraschallenergie wird hierbei eine dauerhafte Verbindung zwischen dem Draht aus Al, der einen Durchmesser von typischerweise einigen 100 μm aufweist und der Kontaktfläche, die am Chip aus Al und Cu am Leistungsmodul besteht, über eine intermetallische Verbindung realisiert.
  • Nachteilig bei derartigen Bondverbindungen ist, dass durch jede Bondverbindung in das Leistungsmodul eine zusätzliche Induktivität eingebracht wird, wodurch die Spannungsbelastung der einzelnen Bauelemente während eines Schaltvorgangs ansteigt. Eine deutliche Verringerung dieser parasitären Induktivität ist aus geometrischen und fertigungstechnischen Gründen nicht möglich. Ferner ist die Stromdichte an den Bondstellen (Verbindungsstellen) selber relativ hoch, was die Zuverlässigkeit der Verbindungen verringert. Von Nachteil ist außerdem, dass komplizierte Topologien mit dieser Fertigungstechnik wegen überkreuzender Bondverbindungen kaum realisierbar sind.
  • Aus der WO 03/030247 A2 ist ein alternatives Verfahren zum Kontaktieren elektrischer Kontaktflächen auf der Oberfläche eines Substrats bekannt. Dieses Verfahren umfasst folgende Schritte:
    • – Auflaminieren einer Folie aus elektrisch isolierendem Kunststoffmaterial auf die Oberfläche des Substrats unter Vakuum, so dass die Folie die Oberfläche mit der oder den Kontaktflächen eng anliegend bedeckt und auf dieser Oberfläche haftet,
    • – Freilegen jeder zu kontaktierenden Kontaktfläche auf der Oberfläche durch Öffnen jeweiliger Fenster in der Folie, und
    • – flächiges Kontaktieren jeder freigelegten Kontaktfläche mit einer Schicht aus elektrisch leitendem Material.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von Leistungsmodulen anzugeben, bei dem die Kontaktierung und elektrische Verbindung von Leistungsbausteinen untereinander und mit Leiterbahnen auf einem Substrat derart erfolgt, dass die eingangs genannten Nachteile bei einer Herstellung gemäß dem bekannten Bondverfahren vermieden werden. Ferner soll ein entsprechendes Leistungsmodul angegeben werden.
  • Diese Aufgabe wird in verfahrenstechnischer Hinsicht mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und in vorrichtungstechnischer Hinsicht mit einem Leistungsmodul nach den Merkmalen des Patentanspruchs 19. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den von Anspruch 1 und Anspruch 19 abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Das Verfahren gemäß Anspruch 1 dient zur Herstellung eines Leistungsmoduls umfassend ein oder mehrere auf einem Substrat angeordnete leistungselektronische Bauelemente mit einer oder mehreren Kontaktflächen, bei dem die Kontaktierung der Kontaktflächen und die Ausbildung einer oder mehrer elektrischer Verbindungen zwischen den Kontaktflächen des Leistungsbauelements und Kontaktflächen des Substrats und/oder zwischen Kontaktflächen von Leistungsbauelementen folgende Schritte umfasst:
    • – Auflaminieren einer Folie aus elektrisch isolierendem Kunststoffmaterial auf eine von Substrat und Bauelementen gebildete Oberfläche unter Vakuum, so dass die Folie die Oberfläche einschließlich Substrat und Bauelementen mit der oder den Kontaktflächen eng anliegend bedeckt und auf dieser Oberfläche haftet,
    • – Freilegen jeder zu kontaktierenden Kontaktfläche auf der Oberfläche durch Öffnen jeweiliger Fenster in der Folie,
    • – flächiges Kontaktieren jeder freigelegten Kontaktfläche mit einer Schicht aus elektrisch leitendem Material, und
    • – Erzeugen mindestens einer Leiterbahn in und/oder auf der Schicht aus dem elektrisch leitenden Material.
  • Diese erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Überlegung, das aus WO 03/030247 A2 bekannte Verfahren auf Leistungsmodule anzuwenden. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die auf diese Weise hergestellten Kontaktierungen und Verbindungen eine im Vergleich zum Stand der Technik höhere elektrische Leitfähigkeit, einen größeren Leitungsquerschnitt, eine geringere Streuinduktivität und eine bessere Wärmeableitung aufweisen. Ferner sind diese Kontaktierungen und Verbindungen robuster gegen höhere Temperaturen, d.h. auch bei Temperaturen über 200°C beständig. Außerdem ermöglicht das erfindungsgemäße Herstellverfahren eine Mehrlagenverdrahtung und damit komplexe Strukturen und Topologien eines Leistungsmoduls. Ferner ist die direkte Ankopplung von Anschlüssen des Leistungsmoduls möglich.
  • Als Substrate kommen beliebige Schaltungsträger auf organischer oder anorganischer Basis in Frage. Solche Substrate sind beispielsweise PCB(Printed Circuit Board)-, DCB (Direct Copper Bonding)-, IM (Insulated Metal)-, HTCC (High Tempera ture Cofired Ceramics)- und LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics)- Substrate.
  • Das Auflaminieren erfolgt vorteilhaft in einer Vakuumpresse. Dazu sind Vakuumtiefziehen, hydraulisches Vakuumpressen, Vakuumgasdruckpressen oder ähnliche Laminierverfahren denkbar. Der Druck wird vorteilhafterweise isostatisch aufgebracht. Das Auflaminieren erfolgt beispielsweise bei Temperaturen von 100°C bis 250°C und einem Druck von 1 bar bis 10 bar. Die genauen Prozessparameter des Auflaminierens, also Druck, Temperatur, Zeit etc., hängen unter anderem von der Topologie des Substrats, des Kunststoffmaterials der Folie und der Dicke der Folie ab.
  • Zum flächigen Kontaktieren wird vorteilhaft ein physikalisches oder chemisches Abscheiden des elektrisch leitenden Materials durchgeführt. Derartige physikalische Verfahren sind Sputtern und Bedampfen (Physical Vapor Deposition, PVD). Das chemische Abscheiden kann aus gasförmiger Phase (Chemical Vapor Deposition, CVD) und/oder flüssiger Phase (Liquid Phase Chemical Vapor Deposition) erfolgen. Denkbar ist auch, dass zunächst durch eines dieser Verfahren eine dünne elektrisch leitende Teilschicht aufgetragen wird, auf der dann eine dickere elektrisch leitende Teilschicht galvanisch abgeschieden wird.
  • Das Substrat mit den darauf angeordneten Bauelementen weist üblicherweise aufgrund seiner Topologie Höhenunterschiede auf. Die Folie ist daher so gestaltet, dass ein Höhenunterschied von bis zu 500 μm überwunden werden kann.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens gemäß der Erfindung sind als Bauelemente des Leistungsmoduls Halbleiterbauelemente und/oder passive Bauelemente vorgesehen.
  • Eine Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass das Leistungsmodul einen 3-phasigen Gleichrichter und/oder einen 6-pulsigen Stromrichter, insbesondere mit Dioden, vorzugsweise SiC-Dioden, und/oder einen Chopper und/oder einen Choppertransistor umfasst. Unter Chopper wird ein Gleichstromsteller verstanden. Ein Gleichstromsteller ist ein verlustarmes Stellglied der Leistungselektronik zwischen einer Gleichspannungsquelle und einem Gleichspannungsverbraucher. Die Spannung der Gleichstromquelle wird durch den Steller impulsweise auf den Verbraucher geschaltet. Je nach Dauer und Anzahl der Impulse je Zeiteinheit entsteht ein Spannungsmittelwert am Verbraucher, der stufenlos eingestellt werden kann.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante umfasst das Leistungsmodul ein Leistungsverstärkermodul oder einen Leistungsverstärker, insbesondere ein Leistungsverstärkermodul oder einen Leistungsverstärker eines Umrichters. Umrichter sind Stromrichter, die einen Wechselstromsystem mit bestimmter Spannung, Frequenz und Phasenzahl in ein Wechselstromstystem anderer Spannung, Frequenz und ggf. Phasenzahl umformen.
  • Eine weitere Ausführungsvariante sieht vor, dass das Leistungsmodul ein Matrixumrichtermodul oder einen Matrixumrichter, insbesondere ein Matrixumrichtermodul oder einen Matrixumrichter mit Shunt-Widerständen (Nebenschlusswiderständen, Parallelwiderständen) zur Strommessung, umfasst. Matrixumrichter gehören zur Familie der Direktumrichter. Im Gegensatz zu Zwischenkreisumrichtern sind im Matrixumrichter alle Eingangsphasen über eine Schaltmatrix mit allen Ausgangsphasen verbunden.
  • Alternativ oder additiv kann gemäß einer weiteren Ausführungsvariante das Leistungsmodul ein F3E-Modul oder eine F3E-Architektur umfassen. Mit F3E ist eine bestimmte Modulationsart beschrieben, nämlich eine Frequenzmodulation.
  • Auch kann eine weitere Ausführungsvariante des Verfahrens gemäß der Erfindung vorsehen, dass das Leistungsmodul ein Wechselrichter-Modul oder einen Wechselrichter, insbesondere ein Dreipunkt-Wechselrichter-Modul oder einen Dreipunkt-Wechselrichter, umfasst. Wechselrichter formen Gleichstrom in Wechsel- oder Drehstrom um.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung werden die Leiterbahnen als planare Leiterbahnen ausgebildet. Alternativ oder additiv können die Leiterbahnen zumindest teilweise aus Kupfer gebildet werden.
  • Eine Weiterbildung sieht ferner vor, dass das Substrat Leiterbahnen aufweist und die Bauelemente des Leistungsmoduls kontaktiert auf diesen Leiterbahnen und/oder isoliert neben diesen Leiterbahnen auf dem Substrat angeordnet sind.
  • Die auflaminierte oder aufzulaminierende Folie kann aus beliebigen Thermoplasten, Duroplasten und Mischungen davon bestehen. Als Folie wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugs- und vorteilhafterweise eine Folie aus einem Kunststoffmaterial auf Polyimid (PI)-, Polyethylen (PE)-, Polyphenol-, Polyetheretherketon (PEEK)- und/oder Epoxidbasis verwendet. Die Folie kann dabei zur Verbesserung der Haftung auf der Oberfläche eine Klebebeschichtung aufweisen.
  • Die Dicke der Folie kann 10 μm bis 500 μm betragen. Vorzugs- und vorteilhafterweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine auflaminierte Folie einer Dicke von 25 bis 150 μm verwendet.
  • Nach dem Auflaminieren wird insbesondere ein Temperschritt durchgeführt. Durch eine Temperaturbehandlung wird die Haftung der Folie auf der Oberfläche verbessert.
  • In einer weiteren Ausgestaltung wird das Auflaminieren (mit oder ohne Temperschritt) sooft wiederholt, bis eine bestimmte Dicke der auflaminierten Folie erreicht ist. Beispielsweise werden Folien geringerer Dicke zu einer auflaminierten Folie höherer Dicke verarbeitet. Diese Folien bestehen vorteilhaft aus einer Art Kunststoffmaterial. Denkbar ist dabei auch, dass Folien aus mehreren unterschiedlichen Kunststoffmaterialen bestehen. Es resultiert eine schichtförmige, auflaminierte Folie.
  • In einer besonderen Ausgestaltung wird ein Fenster in der Folie durch Laserablation geöffnet. Eine Wellenlänge eines dazu verwendeten Lasers beträgt zwischen 300 nm und 1100 nm. Die Leistung des Lasers beträgt zwischen 1 W und 100 W. Beispielsweise wird ein CO2-Laser mit einer Wellenlänge von 924 nm verwendet. Das Öffnen der Fenster erfolgt dabei ohne eine Beschädigung eines eventuell unter der Folie liegenden Kontakts aus Aluminium.
  • In einer weiteren Ausgestaltung wird eine fotoempfindliche Folie (Fotofolie) verwendet und ein Fenster durch einen fotolithographischen Prozess geöffnet. Der fotolithographische Prozess umfasst ein Belichten der fotoempfindlichen Folie, ein Entwickeln der belichteten und/oder nicht-belichteten Stellen der Folie und ein Entfernen der belichteten oder nicht-belichteten Stellen der Folie.
  • Nach dem Öffnen der Fenster erfolgt gegebenenfalls ein Reinigungsschritt, bei dem Folienreste entfernt werden. Der Reinigungsschritt erfolgt beispielsweise nasschemisch. Denkbar ist insbesondere auch ein Plasmareinigungsverfahren.
  • In einer weitere Ausgestaltung wird eine Schicht aus mehreren übereinander angeordneten Teilschichten aus unterschiedlichem, elektrisch leitenden Material verwendet. Es werden beispielsweise verschiedene Metalllagen übereinander aufgetragen. Die Anzahl der Teilschichten beziehungsweise Metalllagen beträgt insbesondere 2 bis 5. Durch die aus mehreren Teilschichten aufgebaute elektrisch leitende Schicht kann beispielsweise eine als Diffusionsbarriere fungierende Teilschicht integriert sein. Eine derartige Teilschicht besteht beispielsweise aus einer Titan-Wolfram-Legierung (TiW). Vor teilhafterweise wird bei einem mehrschichtigen Aufbau direkt auf der zu kontaktierenden Oberfläche eine die Haftung vermittelnde oder verbessernde Teilschicht aufgebracht. Ein derartige Teilschicht besteht beispielsweise aus Titan.
  • In einer besonderen Ausgestaltung wird nach dem flächigen Kontaktieren in und/oder auf der Schicht aus dem elektrisch leitendem Material mindestens eine Leiterbahn erzeugt. Die Leiterbahn kann auf der Schicht aufgetragen werden. Insbesondere wird zum Erzeugen der Leiterbahn ein Strukturieren der Schicht durchgeführt. Dies bedeutet, dass die Leiterbahn in dieser Schicht erzeugt wird. Die Leiterbahn dient beispielsweise der elektrischen Kontaktierung eines Bauelements.
  • Das Strukturieren erfolgt üblicherweise in einem fotolithographischen Prozess. Dazu kann auf der elektrisch leitenden Schicht ein Fotolack aufgetragen, getrocknet und anschließend belichtet und entwickelt werden. Unter Umständen folgt ein Temperschritt, um den aufgetragenen Fotolack gegenüber nachfolgenden Behandlungsprozessen zu stabilisieren. Als Fotolack kommen herkömmliche positive und negative Resists (Beschichtungsmaterialien) in Frage. Das Auftragen des Fotolacks erfolgt beispielsweise durch einen Sprüh- oder Tauchprozess. Electro-Deposition(elektrostatisches oder elektrophoretisches Abscheiden) ist ebenfalls denkbar.
  • Zum Strukturieren können auch fotoempfindliche Folien eingesetzt werden, die auflaminiert und vergleichbar mit der aufgetragenen Fotolackschicht belichtet und entwickelt werden.
  • Zum Erzeugen der Leiterbahn kann beispielsweise wie folgt vorgegangen werden: In einem ersten Teilschritt wird die elektrisch leitende Schicht strukturiert und in einem darauf folgendem Teilschritt wird auf der erzeugten Leiterbahn eine weitere Metallisierung aufgebracht. Durch die weitere Metallisierung wird die Leiterbahn verstärkt. Beispielsweise wird auf der durch Strukturieren erzeugten Leiterbahn Kupfer gal vanisch in einer Dicke von 1 μm bis 400 μm abgeschieden. Danach wird die Fotolackschicht beziehungsweise die auflaminierte Folie abgelöst. Dies gelingt beispielsweise mit einem organischen Lösungsmittel, einem alkalischen Entwickler oder dergleichen. Durch nachfolgendes Differenzätzen wird die flächige, nicht mit der Metallisierung verstärkte, metallisch leitende Schicht wieder entfernt. Die verstärkte Leiterbahn bleibt erhalten.
  • In einer besonderen Ausgestaltung werden zum Herstellen einer mehrlagigen Vorrichtung die Schritte Auflaminieren, Freilegen, Kontaktieren und Erzeugen der Leiterbahn mehrmals durchgeführt.
  • Durch die Erfindung wird eine aus WO 03/030247 bekannte, vorteilhafte Technologie zur elektrischen Kontaktierung und Verdrahtung von Anschlusspads bzw. -kontaktflächen bei der Herstellung von Leistungsmodulen angewandt, insbesondere bei den obenstehenden, speziellen Leistungsmodulen. Somit lassen sich auch komplexe Leistungsmodule mit dieser Technologie realisieren. Bei diesem Verfahren ergibt sich auch durch die flächige Anbindung und die besondere Isolierung eine niederinduktive Verbindung, die schnelles und verlustarmes Schalten ermöglicht.
  • Das Auflaminieren der Folie unter Vakuum bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist durch ein isostatisches Laminieren gegeben. Durch das Auflaminieren der Folie wird eine elektrische Isolationsschicht hergestellt. Die Herstellung der Isolationsschicht durch das erfindungsgemäße Auflaminieren der Folie bietet folgende Vorteile:
    • – Anwendung bei hohen Temperaturen. Eine Folie aus Polyimid beispielsweise ist beständig bis zu 300°C.
    • – Geringe Prozesskosten, z.B. im Vergleich mit Abscheidung des Isolators aus der Dampfphase.
    • – Es sind hohe Isolationsfeldstärken durch Verwendung dicker Isolationslagen möglich.
    • – Hoher Durchsatz, z.B. können DCB-Substrate im Nutzen prozessiert werden.
    • – Homogene Isolationseigenschaften, da Lufteinschlüsse durch die Verarbeitung der Folie im Vakuum verhindert werden.
    • – Die gesamte Kontaktfläche kann genützt werden, so dass hohe Ströme abgeleitet werden können. Dabei können Kontaktflächen von 60 mm2 bis 100 mm2 realisiert werden.
    • – Durch die flächige Kontaktierung können die Chips homogen angesteuert werden.
    • – Die Induktivität des Kontaktes bei einer Kontaktfläche ist durch die flächenhafte Geometrie kleiner als beim Dickdrahtbonden.
    • – Die Kontaktierung führt zu hoher Zuverlässigkeit bei Vibrations- und mechanischer Schockbelastung.
    • – Höhere Lastwechselfestigkeit im Vergleich zu konkurrierenden Methoden wegen geringer thermomechanischer Spannungen.
    • – Es sind mehrere Verdrahtungsebenen zugänglich.
    • – Die beschriebene, planare Verbindungstechnik beansprucht eine geringe Bauhöhe. Es resultiert ein kompakter Aufbau.
    • – Bei mehrlagigen Verbindungsebenen sind großflächige Metallisierungslagen zur Abschirmung realisierbar. Dies wirkt sich insbesondere auf das EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit)-Verhalten der Schaltung (Störemission, Störfestigkeit) sehr positiv aus.
  • Durch die Erfindung ist auch ein Leistungsmodul mit den Merkmalen gemäß Anspruch 19 bereitgestellt. Ein derartiges Leistungsmodul umfasst:
    • a) ein oder mehrere auf einem Substrat angeordnete leistungselektronische Bauelemente mit einer oder mehreren Kontaktflächen und
    • b) eine oder mehrere elektrische Verbindungen zwischen den Kontaktflächen des Bauelements und Kontaktflächen des Substrats und/oder zwischen Kontaktflächen eines oder mehrerer Bauelemente,
    • c) wobei auf eine von Substrat und Bauelementen gebildete Oberfläche unter Vakuum einer Folie aus elektrisch isolierendem Kunststoffmaterial auflaminiert ist, die die Oberfläche einschließlich Substrat und Bauelementen eng anliegend bedeckt und die auf dieser Oberfläche haftet,
    • d) wobei die Folie bei jeder Kontaktfläche ein Fenster aufweist, in welchem diese Kontaktfläche frei von der Folie und flächig mit einer Schicht aus elektrisch leitendem Material kontaktiert ist, und
    • e) wobei die elektrische Verbindung eine in und/oder auf der Schicht aus dem elektrisch leitenden Material erzeugte Leiterbahn ist.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Leistungsmoduls gemäß der Erfindung sind als Bauelemente Halbleiterbauelemente und/oder passive Bauelemente vorgesehen.
  • Ein Ausführungsvariante sieht vor, dass das Leistungsmodul einen 3-phasigen Gleichrichter und/oder einen 6-pulsigen Stromrichter, insbesondere mit Dioden, vorzugsweise SiC-Dioden, und/oder einen Chopper und/oder einen Choppertransistor umfasst.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante umfasst das Leistungsmodul ein Leistungsverstärkermodul oder einen Leistungsverstärker, insbesondere ein Leistungsverstärkermodul oder einen Leistungsverstärker eines Umrichters.
  • Bei einer weiteren Ausführungsvariante umfasst das Leistungsmodul gemäß der Erfindung ein Matrixumrichtermodul oder einen Matrixumrichter, insbesondere ein Matrixumrichtermodul oder einen Matrixumrichter mit Shunt-Widerständen zur Strommessung.
  • Auch kann in einer weiteren Ausführungsvariante das Leistungsmodul ein F3E-Modul oder eine F3E-Architektur umfassen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante umfasst das Leistungsmodul ein Wechselrichter-Modul oder einen Wechselrichter, insbesondere ein Dreipunkt-Wechselrichter-Modul oder einen Dreipunkt-Wechselrichter.
  • Eine Weiterbildung des Leistungsmoduls gemäß der Erfindung sieht vor, dass die Leiterbahnen als planare Leiterbahnen ausgebildet sind. Vorzugsweise können die Leiterbahnen zumindest teilweise aus Kupfer bestehen.
  • Gemäß einer Ausgestaltung des Leistungsmodul gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass das Substrat Leiterbahnen aufweist und die Bauelemente kontaktiert auf diesen Leiterbahnen und/oder isoliert neben diesen Leiterbahnen auf dem Substrat angeordnet sind.
    •
  • Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
  • 1 einen vertikalen Schnitt durch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls, und
  • 2 schematisch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In der 1 ist das Substrat des Beispiels generell mit 1 bezeichnet. Dieses Substrat 1 weist beispielsweise ein DCB-Substrat auf, das bekanntermaßen aus einer Schicht 10 aus Keramikmaterial, einer auf eine untere Oberfläche 102 der Schicht 10 aufgebrachten Schicht 12 aus Kupfer und einer auf einer von der unteren Oberfläche 102 abgekehrten Oberfläche 101 der Schicht 10 aufgebrachten Schicht 11 aus Kupfer besteht.
  • Die Schicht 11 auf der oberen Oberfläche 101 der Schicht 10 ist bereichsweise bis auf die obere Oberfläche 101 herab entfernt, so dass dort die obere Oberfläche 101 frei liegt, jedoch hat dies für die Erfindung keine Bedeutung.
  • Auf die von der Schicht 10 abgekehrte Oberfläche 111 der verbliebenen Schicht 11 aus Kupfer sind Leistungshalbleiterchips 2 aufgebracht, die zueinander gleich und/oder voneinander verschieden sein können.
  • Jeder Leistungshalbleiterchip 2 kontaktiert mit einer nicht dargestellten Kontaktfläche, die auf einer der Schicht 11 aus Kupfer zugekehrten unteren Oberfläche 202 des Chips 2 vorhanden ist, flächig die obere Oberfläche 111 der Schicht 11. Beispielsweise ist diese Kontaktfläche mit der Schicht 11 verlötet.
  • Auf der von der Schicht 11 aus Kupfer und der unteren Oberfläche 202 abgekehrten oberen Oberfläche 201 jedes Chip 2 ist je ein Kontakt 21 mit einer vom Chip 2 abgekehrten Kontaktfläche 210 vorhanden.
  • Ist beispielsweise der Leistungshalbleiterchip 2 ein Transistor, ist die Kontaktfläche auf der unteren Oberfläche 202 dieses Chips 2 die Kontaktfläche eines Kollektor- bzw. Drainkontaktes, und ist der Kontakt 21 auf der oberen Oberfläche 201 des Chip 2 ein Emitter- bzw. Sourcekontakt, dessen Kontaktfläche die Kontaktfläche 210 ist.
  • Die generell mit 20 bezeichnete gesamte obere Oberfläche des mit den Leistungshalbleiterchips 2 bestückten Substrats 1 ist durch die freiliegenden Teile der oberen Oberfläche 101 der Schicht 10, der oberen Oberfläche 111 der Schicht 11 aus Kupfer außerhalb der Chips 2 und durch die freie Oberfläche je des Chip 2 selbst gegeben, die durch die obere Oberfläche 201 und die seitliche Oberfläche 203 dieses Chip 2 bestimmt ist.
  • Die Oberfläche 20 des Substrats 1 ist die für die Erfindung relevante Oberfläche.
  • Erfindungsgemäß wird auf die Oberfläche 20 des Substrats 1 eine Folie 3 aus elektrisch isolierendem Kunststoffmaterial unter Vakuum auflaminiert, so dass die Folie 3 die Oberfläche 20 mit den Kontaktflächen 210 eng anliegend bedeckt und auf dieser Oberfläche 20 haftet (2, 301).
  • Die auflaminierte Folie 3 dient als Isolator und als Träger von Leiterbahnen 5.
  • Die Folie 3 besteht aus einem Kunststoffmaterial auf Polyimid- oder Epoxidbasis.
  • Zur besseren Haftung kann ein Temperschritt nachfolgen. Typische Dicken d der Folie 3 liegen im Bereich von 25–150 μm, wobei größere Dicken auch aus Schichtenfolgen von dünneren Folien 3 erreicht werden können. Damit lassen sich vorteilhafterweise Isolationsfeldstärken im kV-Bereich realisieren.
  • Nun wird jede zu kontaktierende Kontaktfläche auf der Oberfläche 20 des Substrats 1 durch Öffnen jeweiliger Fenster 31 in der Folie 3 freigelegt (2, 302).
  • Eine zu kontaktierende Kontaktfläche ist nicht nur eine Kontaktfläche 210 auf einem Halbleiterchip 2, sondern kann auch jeder durch Öffnen eines Fensters 31 in der Folie 3 freigelegter Bereich 112 der oberen Oberfläche 111 der Schicht 11 aus Kupfer oder einem sonstigen Metall sein.
  • Das Öffnen eines Fensters 31 in der Folie 3 wird vorzugsweise durch Laserablation vorgenommen.
  • Danach wird jede freigelegte Kontaktfläche 210 und 112 mit einer Schicht 4 aus elektrisch leitendem Material, vorzugsweise Metall, flächig kontaktiert, indem die freigelegten Kontaktflächen 210 und 112 mit den üblichen Verfahren metallisiert und strukturiert und somit planar kontaktiert werden (2, 303).
  • Beispielsweise kann die Schicht 4 ganzflächig sowohl auf jede Kontaktfläche 210 und 112 als auch auf die von der Oberfläche 20 des Substrats 1 abgekehrte obere Oberfläche 32 der Folie 3 aufgebracht und danach beispielsweise fotolithographisch so strukturiert werden, dass jede Kontaktfläche 210 und 112 flächig kontaktiert bleibt und außerhalb der Kontaktflächen 210 und 112 Leiterbahnen 5 entstehen.
  • Vorzugsweise werden dazu folgende Prozessschritte (semiadditiver Aufbau) durchgeführt:
    • i) Sputtern einer Ti-Haftschicht von ca. 100 nm Dicke und einer Cu-Leitschicht 4 von ca. 200 nm Dicke (2, 303).
    • ii) Fotolithographie unter Verwendung dicker Lackschichten oder von Fotofolien 7 (2, 304).
    • iii) Galvanische Verstärkung der freientwickelten Bereiche mit elektrisch leitender Schicht 6. Hier sind Schichtdicken bis 500 μm möglich (2, 305).
    • iv) Lackentschichtung und Differenzätzen von Cu und Ti (2, 306).
  • Es kann auch so vorgegangen werden, dass auf die von der Oberfläche 20 des Substrats 1 abgekehrte obere Oberfläche 32 der Folie 3 eine Maske aufgebracht wird, welche die Kontaktflächen 210 und 112 sowie Bereiche für die Leiterbahnen 5 freilässt, und dass dann die Schicht 4 aus dem elektrisch leitenden Material ganzflächig auf die Maske und die Kontakt flächen 210 und 112 sowie die von der Maske freien Bereiche aufgebracht wird. Danach wird die Maske mit der darauf befindlichen Schicht 4 entfernt, so dass nur die flächig kontaktierten Kontaktflächen 210 und 112 und die Leiterbahnen 5 auf den maskenfreien Bereichen übrigbleiben.

Claims (28)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls umfassend ein oder mehrere auf einem Substrat (1) angeordnete leistungselektronische Bauelemente (2) mit einer oder mehreren Kontaktflächen (210), bei dem die Kontaktierung der Kontaktflächen (210) und die Ausbildung einer oder mehrere elektrischer Verbindungen zwischen den Kontaktflächen (210) des Leistungsbauelements (2) und Kontaktflächen (112) des Substrats (1) und/oder zwischen Kontaktflächen (210) von Leistungsbauelementen (2) folgende Schritte umfasst: – Auflaminieren einer Folie (3) aus elektrisch isolierendem Kunststoffmaterial auf eine von Substrat (1) und Bauelementen (2) gebildete Oberfläche (20) unter Vakuum, so dass die Folie (3) die Oberfläche (20) einschließlich Substrat (1) und Bauelementen (2) mit der oder den Kontaktflächen (210, 112) eng anliegend bedeckt und auf dieser Oberfläche (20) haftet, – Freilegen jeder zu kontaktierenden Kontaktfläche (210, 112) auf der Oberfläche (20) durch Öffnen jeweiliger Fenster (31) in der Folie (3), – flächiges Kontaktieren jeder freigelegten Kontaktfläche (210, 112) mit einer Schicht (4, 6) aus elektrisch leitendem Material, und – Erzeugen mindestens einer Leiterbahn in und/oder auf der Schicht (4, 6) aus dem elektrisch leitenden Material.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Bauelemente des Leistungsmoduls Halbleiterbauelemente und/oder passive Bauelemente vorgesehen sind.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leistungsmodul einen 3-phasigen Gleichrichter und/oder einen 6-pulsigen Stromrichter, insbesondere mit Dioden, vorzugsweise SiC-Dioden, und/oder einen Chopper und/oder einen Choppertransistor umfasst.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leistungsmodul ein Leistungsverstärkermodul oder einen Leistungsverstärker, insbesondere ein Leistungsverstärkermodul oder einen Leistungsverstärker eines Umrichters, umfasst.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leistungsmodul ein Matrixumrichtermodul oder einen Matrixumrichter, insbesondere ein Matrixumrichtermodul oder einen Matrixumrichter mit Shunt-Widerständen zur Strommessung, umfasst.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leistungsmodul ein F3E-Modul oder eine F3E-Architektur umfasst.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leistungsmodul ein Wechselrichter-Modul oder einen Wechselrichter, insbesondere ein Dreipunkt-Wechselrichter-Modul oder einen Dreipunkt-Wechselrichter, umfasst.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterbahnen als planare Leiterbahnen ausgebildet werden.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterbahnen zumindest teilweise aus Kupfer gebildet werden.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat Leiterbahnen aufweist und die Bauelemente des Leistungsmoduls kontaktiert auf diesen Leiterbahnen und/oder isoliert neben diesen Leiterbahnen auf dem Substrat angeordnet sind.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Folie (3) aus einem Kunststoffmaterial auf Polyimid-, Polyethylen-, Polyphenol-, Polyetheretherketon- und/oder auf Epoxidbasis verwendet wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine auflaminierte Folie (3) mit einer Dicke (d) von 25 bis 150 μm verwendet wird.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem Auflaminieren der Folie (3) ein Temperschritt durchgeführt wird.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Auflaminieren sooft wiederholt wird, bis eine bestimmte Dicke der auflaminierten Folie erreicht ist.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Fenster in der Folie durch Laserablation geöffnet wird.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine fotoempfindliche Folie (3) verwendet wird und ein Fenster (31) durch einen fotolithographischen Prozess geöffnet wird.
  17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Schicht aus mehreren übereinander angeordneten Teilschichten aus unterschiedlichem, elektrisch leitenden Material verwendet wird.
  18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Herstellen eines mehrlagigen Leistungsmoduls die Schritte Auflaminieren, Freilegen, Kontaktieren und Erzeugen der Leiterbahn mehrmals durchgeführt wird.
  19. Leistungsmodul umfassend a) ein oder mehrere auf einem Substrat (1) angeordnete leistungselektronische Bauelemente (2) mit einer oder mehreren Kontaktflächen (210) und b) eine oder mehrere elektrische Verbindungen zwischen den Kontaktflächen (210) des Bauelements (2) und Kontaktflä chen (112) des Substrats (1) und/oder zwischen Kontaktflächen (210) eines oder mehrerer Bauelemente (2), c) wobei auf eine von Substrat (1) und Bauelementen (2) gebildete Oberfläche (20) unter Vakuum einer Folie (3) aus elektrisch isolierendem Kunststoffmaterial auflaminiert ist, die die Oberfläche (20) einschließlich Substrat (1) und Bauelementen (2) eng anliegend bedeckt und die auf dieser Oberfläche (20) haftet, d) wobei die Folie (3) bei jeder Kontaktfläche (210, 112) ein Fenster (31) aufweist, in welchem diese Kontaktfläche (210, 112) frei von der Folie (3) und flächig mit einer Schicht (4, 6) aus elektrisch leitendem Material kontaktiert ist, und e) wobei die elektrische Verbindung eine in und/oder auf der Schicht (4, 6) aus dem elektrisch leitenden Material erzeugte Leiterbahn ist.
  20. Leistungsmodul nach Anspruch 19, bei dem als Bauelemente Halbleiterbauelemente und/oder passive Bauelemente vorgesehen sind.
  21. Leistungsmodul nach Anspruch 19 oder Anspruch 20, das einen 3-phasigen Gleichrichter und/oder einen 6-pulsigen Stromrichter, insbesondere mit Dioden, vorzugsweise SiC-Dioden, und/oder einen Chopper und/oder einen Choppertransistor umfasst.
  22. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 19 bis 21, das ein Leistungsverstärkermodul oder einen Leistungsverstärker, insbesondere ein Leistungsverstärkermodul oder einen Leistungsverstärker eines Umrichters, umfasst.
  23. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 19 bis 22, das ein Matrixumrichtermodul oder einen Matrixumrichter, insbesondere ein Matrixumrichtermodul oder einen Matrixumrichter mit Shunt-Widerständen zur Strommessung, umfasst.
  24. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 19 bis 23, das ein F3E-Modul oder eine F3E-Architektur umfasst.
  25. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 19 bis 24, das ein Wechselrichter-Modul oder einen Wechselrichter, insbesondere ein Dreipunkt-Wechselrichter-Modul oder einen Dreipunkt-Wechselrichter, umfasst.
  26. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 19 bis 25, das, bei dem die Leiterbahnen als planare Leiterbahnen ausgebildet sind.
  27. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 19 bis 26, bei dem die Leiterbahnen zumindest teilweise aus Kupfer bestehen.
  28. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 19 bis 27, bei dem das Substrat Leiterbahnen aufweist und die Bauelemente kontaktiert auf diesen Leiterbahnen und/oder isoliert neben diesen Leiterbahnen auf dem Substrat angeordnet sind.
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