DE102004008208B4

DE102004008208B4 - Leistungshalbleitermodul

Info

Publication number: DE102004008208B4
Application number: DE102004008208A
Authority: DE
Inventors: Christof Klos; Reinhold Spanke; Oliver Dr. Schilling
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2024-02-20
Also published as: DE102004008208A1

Abstract

Leistungshalbleitermodul (1), das folgende Merkmale aufweist:
mehrere Substrate (2, 3, 4, 5), auf denen jeweils wenigstens ein Halbleiterbauelement (7) verschaltet ist, und
einen zu einem der Substrate (3) führenden und einen integralen Substrat-Vorwiderstand (44) aufweisenden Strompfad (42), der eine auf einer Leiterkarte (40) ausgebildete Leiterbahn sowie eine Stromabnahme (41) umfasst, wobei die Leiterkarte (40) von dem einen Substrat (3) beabstandet ist und wobei die Stromabnahme (41) die Leiterbahn mit dem einen Substrat (3) verbindet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit mehreren Substraten, auf denen jeweils mindestens ein Halbleiterbauelement angeordnet und verschaltet ist und die über jeweils einen Substrat-Vorwiderstand z.B. mit Steuersignalen beaufschlagbar sind.
In Leistungshalbleitermodulen werden üblicherweise zur Schaltung hoher Ströme ein oder mehrere Halbleiterbauelemente (nachfolgend auch Halbleiterchips genannt) auf (Keramik-) Substraten montiert und – bei mehreren Halbleiterchips parallel – verschaltet. Zur weiteren Erhöhung der schaltbaren Stromstärken können wiederum mehrere derartiger Substrate elektrisch parallel geschaltet werden.
Aus schaltungstechnischen Gründen ist jedem dieser Substrate ein Substratvorwiderstand zugeordnet. Es ist möglich, diese Substrat-Vorwiderstände ebenso wie die Halbleiterchips auf dem jeweiligen Substrat anzuordnen. Dies erhöht aber den Platzbedarf auf den Substraten und den Bauteil- und Montageaufwand der individuellen Substrateinheiten.
Aus der JP 2001 044 360 A ist ein Halbleitermodul mit zwei auf einem Substrat angeordneten Halbleiterelementen und einem Gate-Schaltkreis bekannt. Mit jedem Halbleiterelement ist ein Widerstand des Gate-Schaltkreises verbunden. Ein weiterer Widerstand ist mit diesen Widerständen in Reihe geschaltet. Alle Widerstände sind auf dem Substrat angeordnet.
Die EP 1 193 761 A2 zeigt eine Halbleiterbaugruppe mit einem Substrat, auf dem ein IGBT angeordnet ist. Der IGBT ist über einen Bonddraht und einen auf eine Kupfermetallisierung des Substrates aufgelöteten Gate-Widerstand elektrisch leitend mit einem Gate-Anschluss verbunden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Leistungshalbleitermodul notwendige Vorwiderstände mit geringem Fertigungs- und Bauteilaufwand zu realisieren.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Leistungshalbleitermodul gemäß Patentanspruch 1. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul umfasst mehrere Substrate, auf denen jeweils mindestens ein Halbleiterbauelement verschaltet ist, und mindestens eine elektrische Zuleitung, die über eine Leiterbahn und eine Stromabnahme zu einem Substrat verläuft, wobei in der Zuleitung als integraler Bestandteil ein Substrat-Vorwiderstand vorgesehen ist.
Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass durch die integrale Ausbildung des bzw. der Substrat-Vorwiderstände der Raumbedarf des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls erheblich reduziert ist. Außerdem kann die Anzahl zu handhabender und zu montierender Bauteile damit vermindert werden.
In diesem Zusammenhang sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass das Material der Stromabnahme zumindest abschnittsweise in seinem Widerstandswert so bemessen ist, dass die Stromabnahme den Vorwiderstand bildet. Hierfür geeignete Materialien zur Bildung der Stromabnahme sind beispielsweise stromleitfähige Polymere wie z.B. ein unter dem Namen Polythiopen bekannt gewordene Polymer mit einer Leitfähigkeit von ca. 100 S/cm. Ein sehr stabiles stromleitfähiges Polymer ist unter dem Begriff Polypyrrol bekannt, das gegen Luftsauerstoff und thermische Zersetzung mit einer Leitfähigkeit von 100 S/cm angegeben (Quelle: Rechenzentrum der Münchner Hochschulen). Ein weiteres geeignetes Polymer ist das von der Fa. Bayer Polymers unter dem Namen Baytron P. vertriebene Produkt.
Es ist auch möglich, die Zuleitung oder Stromabnahme abschnittsweise in ihrem Widerstandswert dadurch anzupassen, dass ein z.B. mäanderförmig gestalteter Verlauf einer Metal lisierung (z.B. Kupfer oder andere leitende Materialien) auf einem nichtleitenden Träger vorgesehen ist.
Es ist auch möglich, den Vorwiderstand in die Leiterbahn zu integrieren, indem ein Widerstandselement in die Leiterbahn eingefügt wird.
Zur Realisierung der vorstehend genannten Ausgestaltungen ist es vorteilhaft, wenn die Leiterbahn auf einer dem Anschluss mehrerer Substrate dienenden Leiterkarte ausgebildet ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung beispielhaft weiter erläutert; es zeigen:
1: in schematischer Darstellung einen Leistungshalbleitermodulaufbau in Aufsicht,
2: einen Querschnitt durch ein Substrat eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls,
3: einen Querschnitt durch einen Leiterbahnabschnitt, in den ein Widerstandselement integriert ist, und
4: einen Querschnitt durch einen weiteren Leiterbahnabschnitt, in den ein Widerstandselement integriert ist.
1 zeigt ein Leistungshalbleitermodul 1 mit vier Substraten 2, 3, 4, 5. Auf jedem Substrat sind mehrere Halbleiterbauelemente in Form von Halbleiterchips (z.B. 7, 8, 9) angeordnet und in an sich bekannter Weise z.B. über Bonddrähte (2) elektrisch verschaltet. Jedem Substrat ist ein – in 1 nur schematisch symbolisierter – Vorwiderstand 10, 11, 12, 13 zugeordnet, der sich in einem von einer Leiterbahn und einem Steuerstromabnehmer (nachfolgend auch als Steuerstromabnahme bezeichnet) gebildeten Steuerstrompfad zu dem jeweiligen Substrat befindet.
2 zeigt ausschnittsweise (nämlich nur ein Substrat) im Querschnitt den Gesamtaufbau eines Leistungshalbleitermoduls, umfassend eine metallische Bodenplatte 20, die über eine Lotschicht 21 mit dem Substrat 3 verlötet ist. Mit in Leiterbahnen strukturierten metallischen Kaschierungen auf der Substratoberseite sind die Halbleiterchips (z.B. 7) durch Lotschichten 22 verbunden. Die Halbleiterchips sind mit (den bereits im Zusammenhang mit 1 erwähnten) Bonddrähten 24, 25, 26, 27 verschaltet.
Ferner sind in ein Modulgehäuse 30 führende Laststromabnahmen 32, 33 und Steuerstromlaschen 35, 36 zu erkennen. Die Steuerstromlaschen 35, 36 führen zu einer Steuerstromkreisleiterkarte 40. Auf dieser Karte 40 sind nicht näher dargestellte Leiterbahnen ausgebildet, die zu den substratindividuellen Steuerstromabnehmern 41 führen. Diese Leiterbahnen und die Steuerstromabnehmer 41 bilden somit eine zum Substrat führende Zuleitung, die auch als Strompfad 42 bezeichnet wird.
In diesen Strompfad 42 ist nach Maßgabe der individuellen funktionellen Anforderungen ein Substrat-Vorwiderstand 44 integriert. Dies kann dadurch erfolgen, dass das Material der Steuerstromabnahme 41 derart ausgewählt und bemessen ist, dass die Steuerstromabnahme zumindest einen Abschnitt erhöhten elektrischen Widerstandes aufweist.
Es kann aber auch eine lokale Widerstandserhöhung im Verlauf der auf der Karte 40 ausgebildeten Leiterbahn realisiert sein. Dazu kann das Material der Leiterbahn lokal so modifiziert sein, dass ein den betriebsgemäßen Anforderungen genügender Leitungswiderstand besteht.
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Vorwiderstand 44 in die Leiterbahn integriert ist, indem ein Widerstandselement in die Leiterbahn eingefügt ist.
Der Innenraum des Gehäuses 30 ist mit einem Weichverguss 45 unterhalb der Stromsteuerkreiskarte 40 und kann (optional) mit einem Hartverguss 46 oberhalb der Stromsteuerkreiskarte gefüllt sein.
Das Material der Stromabnahme ist zumindest abschnittsweise in seinem Widerstandswert so bemessen ist, dass die Stromabnahme den Vorwiderstand bildet.
3 zeigt einen Querschnitt durch einen Bereich 50 einer Leiterbahn 51, in den ein Widerstandselement 52 integriert ist. Die Leiterbahn 51 ist als leitfähige Metallisierung 53 auf einem isolierenden Träger 54 (z.B. einem Keramiksubstrat) aufgebracht. Sie weist eine Lücke 55 auf, die von einer Folie 56 eines stromleitfähigen Polymers 57, z.B. auf Polythiopenbasis, gebildet ist. Der von dem Polymer gebildete Widerstand ist damit als Vorwiderstand 58 in den Leitungszug einer den Bereich 50 enthaltenden Zuleitung integriert.
4 zeigt eine Variante der Ausgestaltung eines Bereichs 60 einer Leiterbahn 61, in den ein Widerstandselement 62 integriert ist. Die Leiterbahn 61 ist wie in der Ausführung nach 3 als leitfähige Metallisierung 63 auf einem isolierenden Träger 64 (z.B. einem Keramiksubstrat) aufgebracht. Sie weist ebenfalls eine Lücke 65 auf, die mit einem strom leitfähigen Polymer 67, z.B. auf Polythiopenbasis, vergossen ist. Das Polymer 67 bildet damit einen integrierten Vorwiderstand 68. Statt dem Polymer kann auch ein geeigneter Leitkleber verwendet werden.

1: Leistungshalbleitermodul
2, 3, 4, 5: Substrate
7, 8, 9: Halbleiterbauelemente (Halbleiterchips)
10, 11, 12, 13: Vorwiderstände
20: Bodenplatte
21: Lotschicht
22: Lotschichten
24, 25, 26, 27: Bonddrähte
30: Modulgehäuse
32, 33: Laststromabnahmen
35, 36: Steuerstromlaschen
40: Steuerstromkreisleiterkarte
41: Steuerstromabnahme
42: Strompfad
44: Substrat-Vorwiderstand
45: Weichverguss
46: Hartverguss
50: Bereich
51: Leiterbahn
52: Widerstandselement
53: Metallisierung
54: Träger
55: Lücke
56: Abschnitt
57: Polymer
58: Vorwiderstand
60: Bereichs
61: Leiterbahn
62: Widerstandselement
63: Metallisierung
64: Träger
65: Lücke
67: Polymer
68: Vorwiderstand

Claims

Leistungshalbleitermodul (1), das folgende Merkmale aufweist: mehrere Substrate (2, 3, 4, 5), auf denen jeweils wenigstens ein Halbleiterbauelement (7) verschaltet ist, und einen zu einem der Substrate (3) führenden und einen integralen Substrat-Vorwiderstand (44) aufweisenden Strompfad (42), der eine auf einer Leiterkarte (40) ausgebildete Leiterbahn sowie eine Stromabnahme (41) umfasst, wobei die Leiterkarte (40) von dem einen Substrat (3) beabstandet ist und wobei die Stromabnahme (41) die Leiterbahn mit dem einen Substrat (3) verbindet.
Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 1, bei dem der Substrat-Vorwiderstand (44) in der Stromabnahme (41) ausgebildet ist.
Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Material der Stromabnahme (41) zumindest abschnittsweise in seinem Widerstandswert so bemessen ist, dass die Stromabnahme den Vorwiderstand (44) bildet.
Leistungshalbleitermodul (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Stromabnahme (41) einen Abschnitt mit erhöhtem elektrischem Widerstand aufweist.
Leistungshalbleitermodul (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Leiterkarte (40) zum Anschluss mehrerer Substrate (2, 3, 4, 5) dient.
Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 1, bei dem der Substrat-Vorwiderstand (44) als in der Leiterbahn integriertes Widerstandselement ausgebildet ist.
Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 6, bei dem zwei voneinander beabstandete Abschnitte der Leiterbahn mittels des Substrat-Vorwiderstands (44) miteinander verbunden sind.
Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 6 oder 7, bei dem der Substrat-Vorwiderstand (44) aus einem stromleitfähigen Polymer (57, 67) gebildet ist.