DE102004026596A1 - Active semiconductor arrangement with at least one module plane and having a raised geometry with a conductive layer to make contact with an upper plane - Google Patents

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Abstract

The active semiconductor arrangement has at least one module plane and comprises a substrate (5), on which active semiconductors are arranged. At least one further plane (3) is arranged spaced above the modular plane. An electrical connection is provided between the modular plane and the upper plane. The electrical connection (4) comprises a geometry (7) formed in the substrate and raised relative to the substrate surface (6). This raised geometry at least partly extends across the distance between the upper plane and the modular plane. The raised geometry is at least partly provided with an electrically conductive layer (8) to make an electrical contact with the upper plane.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leistungshalbleiteranordnung mit mindestens einer Modulebene, bestehend aus einem Träger und auf dem Träger angeordneten Leistungshalbleitern, und mindestens einer weiteren, mit Abstand oberhalb der Modulebene angeordneten Ebene, insbesondere einer Busbarebene, wobei mindestens eine elektrische Verbindung zwischen der Modulebene und der oberen Ebene vorgesehen ist.The The invention relates to a power semiconductor device having at least a module level, consisting of a carrier and arranged on the carrier Power semiconductors, and at least one other, by far above the module level arranged plane, in particular a Busbarebene, wherein at least one electrical connection between the module level and the upper level is provided.

Bei der elektrischen Verbindung kann es sich beispielsweise um einen Hochstromkontakt oder einen Signalkontakt handeln. An die elektrischen Verbindungen werden je nach Anwendungsfall die unterschiedlichsten Anforderungen gestellt. Insbesondere ist bei Hochstromkontakten auf einen möglichst geringen elektrischen Widerstand zu achten, um die Eigenerwärmung der elektrischen Verbindung zu minimieren. Die mechanische Stabilität und Haltbarkeit sowie die elektrische Leitfähigkeit haben Einfluss auf die Güte einer elektrischen Verbindung. Je nach Einsatzgebiet muss die elektrische Verbindung Vibrationen, Temperaturänderungen oder sonstigen Umwelteinflüssen standhalten.at The electrical connection may be, for example, a High current contact or a signal contact act. To the electrical Connections will vary depending on the application Requirements made. In particular, in high-current contacts on one as possible low electrical resistance to pay attention to the self-heating of the minimize electrical connection. The mechanical stability and durability as well the electrical conductivity have an influence on the quality an electrical connection. Depending on the application, the electrical Connection vibration, temperature changes or other environmental conditions withstand.

Zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen beispielsweise einem Printed Circuit Board (PCB) und einem Leistungshalbleitermodul ist es bekannt, Zusatzelemente wie Metallstifte, Bügel, Bonddrähte, etc. einzusetzen. Mit Hilfe dieser Zusatzelemente wird der Abstand zwischen dem PCB und dem Leistungshalbleitermodul überwunden und ein elektrischer Kontakt hergestellt. Die Zusatzelemente werden einerseits am PCB und andererseits an dem Leistungshalbleitermodul befestigt. Bekannte Techniken hierzu sind Löten, Schweißen, Verkleben, Verschrauben oder Einspritzen, etc. Bei den bekannten Technologien ist nachteilig, dass die Zusatzelemente häufig den äußeren Belastungen, wie Vibrationen oder Temperaturschwankungen nicht standhalten. In Extremfällen kann es zu Kontaktabrissen kommen. Weiterhin nachteilig ist, dass die Be festigung der Zusatzelemente an den unterschiedlichen Ebenen technisch aufwändig und zeitintensiv ist.to Making an electrical connection between, for example a printed circuit board (PCB) and a power semiconductor module it is known, additional elements such as metal pins, hangers, bonding wires, etc. use. With the help of these additional elements, the distance between overcome the PCB and the power semiconductor module and an electrical Contact made. The additional elements are on the one hand on the PCB and on the other hand attached to the power semiconductor module. Known Techniques for this are soldering, Welding, Gluing, screwing or injecting, etc. In the known technologies is disadvantageous that the additional elements often the external loads, such as vibrations or Temperature fluctuations can not withstand. In extreme cases can it comes to contact breaks. Another disadvantage is that the Be fastening the additional elements at the different levels technically costly and time consuming.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leistungshalbleiteranordnung vorzuschlagen, die einerseits widerstandsfähiger und andererseits einfacher herstellbar ist.Of the Invention is based on the object, a power semiconductor device to propose, on the one hand more resilient and on the other hand simpler can be produced.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die elektrische Verbindung aus einer, in den Träger eingeformten und gegenüber einer Trägeroberfläche erhöhten, Geometrie, zur zumindest teilweisen Überwindung des Abstandes zwischen Modulebene und oberer Ebene, besteht, wobei die erhöhte Geometrie zumindest teilweise mit einer elektrisch leitenden Schicht zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit der oberen Ebene, versehen ist. Bei der erfindungsgemäßen Leistungshalbleiteranordnung ist von entscheidendem Vorteil, dass auf die bisher üblichen Zusatzelemente zur Herstellung einer elektrischen Verbindung wie beispielsweise Metallstifte, Bügel, Bonddrähte, etc. verzichtet werden kann. Auf einer Modulebene können selbstverständlich eine Vielzahl von erhöhten Geometrien vorgesehen sein. Dabei ist es möglich, die erhöhten Geometrien in unterschiedlichen Höhen zu realisieren, um mehrere, übereinander angeordnete, Ebenen verbinden zu können.These Task is solved by that the electrical connection of one, molded into the carrier and opposite a carrier surface increased, geometry, for at least partial overcoming the distance between the module level and the upper level, where the increased Geometry at least partially with an electrically conductive layer for making an electrical contact with the upper level, is provided. In the power semiconductor device according to the invention is of crucial advantage that on the usual Additional elements for making an electrical connection such for example, metal pins, hangers, Bonding wires, etc. can be dispensed with. On a module level, of course, a variety from elevated Geometries be provided. It is possible, the increased geometries at different heights to realize, to several, one above the other arranged to be able to connect planes.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Träger aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Aluminium, besteht. Um einen Kurzschluss zu vermeiden, ist zwischen der elektrisch leitenden Schicht und der erhöhten Geometrie eine Isolationsschicht vorgesehen. Die Isolationsschicht kann beispielsweise direkt aus dem Trägermaterial durch einen Oxidationsprozess hergestellt werden. Auf die Isolationsschicht kann dann eine elektrisch leitende Schicht zur Herstellung der eigentlichen elektrischen Verbindung aufgebracht werden. Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung der Isolationsschicht besteht darin, dass auf die erhöhte Geometrie unmittelbar eine Isolationsschicht aufgetragen wird. Es ist auch denkbar, auf das Trägermaterial eine Metallschicht aufzubringen, die dann mittels eines Oxidationsprozesses in eine Isolationsschicht umgewandelt wird. Unabhängig von der Art der Herstellung der Isolationsschicht wird nach deren Fertigstellung eine Metallschicht zur eigentlichen Kontaktierung der oberen Ebene auf die Isolationsschicht aufgebracht.According to one advantageous embodiment of the invention it is provided that the carrier made of an electrically conductive material, for example aluminum, consists. To avoid a short circuit is between the electric conductive layer and the raised Geometry provided an insulation layer. The insulation layer can, for example, directly from the substrate by an oxidation process getting produced. On the insulation layer can then be an electrical applied conductive layer for producing the actual electrical connection become. One more way for the preparation of the insulating layer is that on the increased Geometry directly an insulation layer is applied. It is also conceivable on the carrier material to apply a metal layer, which then by means of an oxidation process is converted into an insulating layer. Independent of Type of production of the insulation layer is after their completion a metal layer for the actual contacting of the upper level applied to the insulation layer.

In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Träger aus einem elektrisch nicht leitenden Material besteht. In diesem Fall ist es nicht notwendig, auf die erhöhte Geometrie eine zusätzliche Isolationsschicht aufzubringen. Die elektrisch leitende Schicht kann unmittelbar auf die erhöhte Geometrie aufgebracht werden.In Development of the invention is provided with advantage that the carrier consists of an electrically non-conductive material. In this Case, it is not necessary to add an extra to the increased geometry Apply insulation layer. The electrically conductive layer can be increased directly to the Geometry to be applied.

Um die Haltbarkeit der elektrischen Verbindung zu erhöhen, ist mit Vorteil vorgesehen, dass die elektrisch leitende Schicht aus mehreren Metallisierungsschichten aufgebaut ist. Dies erhöht beispielsweise den Schutz gegen Korrosion. Es ist besonders zweckmäßig, wenn in der oberen Ebene eine Bohrung oder Vertiefung zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung mit der erhöhten Geometrie vorgesehen ist. Dabei ist es denkbar, die erhöhte Geometrie mit leitender Schicht in der Öffnung oder Vertiefung zu verlöten. Weiterhin ist es denkbar, dass die Geometrie mit Metallschicht in die Öffnung oder Vertiefung gepresst wird. In diesem Fall kann auf einen aufwändigen Lötprozess verzichtet werden. Alleine durch das Vorsehen einer entsprechend dimensionierten Öffnung in der oberen Ebene kann ohne weitere Hilfsmittel eine zweidimensionale Verbindung zwischen oberer Ebene und unterer Ebene geschaffen werden.In order to increase the durability of the electrical connection, it is advantageously provided that the electrically conductive layer is made up of a plurality of metallization layers. This increases, for example, the protection against corrosion. It is particularly useful if in the upper level, a bore or recess for producing a positive connection with the increased geometry is provided. It is conceivable to solder the raised geometry with conductive layer in the opening or depression. Furthermore, it is conceivable that the geometry with metal layer in the opening or Ver depression is pressed. In this case, a complex soldering process can be dispensed with. Alone by the provision of a correspondingly dimensioned opening in the upper level can be created without further aids a two-dimensional connection between the upper level and lower level.

In Ausgestaltung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass je nach Anwendungsfall die erhöhte Geometrie als Stift oder als Pyramide oder als Noppe oder als Kegel oder als Zylinder ausgebildet ist. Selbstverständlich ist es denkbar, unterschiedliche Geometrien in einem Arbeitsschritt zu realisieren.In Embodiment of the invention is provided with advantage that ever after application, the increased Geometry as a pencil or as a pyramid or as a knob or as a cone or is designed as a cylinder. Of course, it is conceivable, different Realize geometries in one work step.

Anhand einer Zeichnung, in der mehrere Ausführungsbeispiele dargestellt sind, wird die Erfindung näher erläutert.Based a drawing, shown in the several embodiments are, the invention is closer explained.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine Leistungshalbleiteranordnung mit elektrisch leitendem Trägermaterial, 1 a power semiconductor device with electrically conductive carrier material,

2 eine Leistungshalbleiteranordnung mit elektrisch leitendem Trägermaterial und additiver Isolationsschicht, 2 a power semiconductor arrangement with electrically conductive carrier material and additive insulating layer,

3 eine Leistungshalbleiteranordnung mit elektrisch leitendem Trägermaterial und vollständig oxidierter Geometrie und 3 a power semiconductor device with electrically conductive substrate and fully oxidized geometry and

4 eine Leistungshalbleiteranordnung mit elektrisch nicht leitendem Trägermaterial. 4 a power semiconductor device with electrically non-conductive substrate.

In 1 ist eine Leistungshalbleiteranordnung 1 dargestellt. Die dargestellte Leistungshalbleiteranordnung 1 besteht aus einer unteren Modulebene 2 mit nicht dargestellten Leistungshalbleitern und einer mit Abstand oberhalb der Modulebene 2 angeordneten Busbarebene 3. Anstelle einer Busbarebene 3 kann hier selbstverständlich eine beliebige Ebene, beispielsweise eine weitere Modulebene, angeordnet sein. Zwischen der Modulebene 2 und der Busbarebene 3 besteht eine elektrische Verbindung 4.In 1 is a power semiconductor device 1 shown. The illustrated power semiconductor device 1 consists of a lower module level 2 with power semiconductors, not shown, and a distance above the module level 2 arranged Busbarebene 3 , Instead of a busbar level 3 Of course, any plane, for example a further module plane, can be arranged here. Between the module level 2 and the bus level 3 there is an electrical connection 4 ,

Bestandteil der Modulebene 2 ist ein elektrisch leitender Träger 5 aus Aluminium. Die elektrische Verbindung 4 besteht aus einer in den Träger 5 eingeformten und gegenüber einer Trägeroberfläche 6 erhöhten Geometrie 7. Die erhöhte Geometrie 7 dient zur Überwindung des Abstandes zwischen Modulebene 2 und Busbarebene 3. Da der Träger 5 aus einem elektrisch leitenden Material besteht, ist es notwendig, zwischen einer elektrisch leitenden Schicht 8 auf der erhöhten Geometrie 7 eine Isolati onsschicht 9 vorzusehen. Die Isolationsschicht 9 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch anodische Oxidation der Oberfläche der erhöhten Geometrie 7 hergestellt worden. Die elektrisch leitende Schicht 8 stellt den unmittelbaren elektrischen Kontakt mit einem Leiter 10 auf der Busbarebene 3 her. Die erhöhte Geometrie 7 mit elektrisch leitender Schicht 8 ist in einer Öffnung 11 in der Busbarebene 3 aufgenommen. Die erhöhte Geometrie 7 mit elektrisch leitender Schicht 8 ist in die Öffnung 11 gepresst.Part of the module level 2 is an electrically conductive carrier 5 made of aluminium. The electrical connection 4 consists of one in the carrier 5 molded and opposite a support surface 6 increased geometry 7 , The increased geometry 7 serves to overcome the distance between module level 2 and Busbarebene 3 , As the carrier 5 is made of an electrically conductive material, it is necessary between an electrically conductive layer 8th on the raised geometry 7 an isolating layer 9 provided. The insulation layer 9 is in this embodiment by anodic oxidation of the surface of the increased geometry 7 been prepared. The electrically conductive layer 8th makes direct electrical contact with a conductor 10 at the busbar level 3 ago. The increased geometry 7 with electrically conductive layer 8th is in an opening 11 in the Busbarebene 3 added. The increased geometry 7 with electrically conductive layer 8th is in the opening 11 pressed.

In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leistungshalbleiteranordnung 1 dargestellt. Anstelle einer Öffnung ist in der Busbarebene 3 eine Vertiefung 12 vorgesehen. Der Träger 5 der Modulebene 2 ist ebenfalls elektrisch leitend ausgebildet. Die Isolationsschicht 13 wurde durch anodische Oxidation einer auf die erhöhte Geometrie 7 aufgebrachte Metallisierungsschicht 14 gebildet. Oberhalb der Isolationsschicht 13 befindet sich die elektrisch leitende Schicht 8, die unmittelbaren Kontakt mit dem Leiter 10 auf der Busbarebene 3 hat. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es nicht notwendig, das Trägermaterial selbst zu oxidieren, um die Kontaktmetallisierung vom Trägermaterial elektrisch isoliert aufzubauen.In 2 is another embodiment of a power semiconductor device 1 shown. Instead of an opening is in the Busbarebene 3 a depression 12 intended. The carrier 5 the module level 2 is also electrically conductive. The insulation layer 13 was due to anodic oxidation of an increased geometry 7 applied metallization layer 14 educated. Above the insulation layer 13 is the electrically conductive layer 8th having direct contact with the leader 10 at the busbar level 3 Has. In the described embodiment, it is not necessary to oxidize the substrate itself to build the contact metallization of the substrate electrically isolated.

Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Leistungshalbleiteranordnung 1 dargestellt, wobei die elektrisch leitende Schicht 8 direkten Kontakt zu einem Leiter 10 auf der Busbarebene 3 hat. Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wurde die gesamte erhöhte Geometrie 7 als Isolator, beispielsweise durch einen Oxidationsprozess, ausgebildet. Hierdurch wird eine besonders gute Isolationswirkung erzielt.At the in 3 illustrated embodiment is a power semiconductor device 1 shown, wherein the electrically conductive layer 8th direct contact with a leader 10 at the busbar level 3 Has. Unlike the in 1 illustrated embodiment, the entire increased geometry 7 formed as an insulator, for example by an oxidation process. As a result, a particularly good insulation effect is achieved.

In 4 ist eine Leistungshalbleiteranordnung 1 dargestellt, wobei der Träger 15 aus elektrisch nicht leitendem Material besteht. Bei dieser Ausführungsform ist es nicht notwendig, eine Isolationsschicht vorzusehen. Die elektrisch leitende Schicht 8 ist unmittelbar auf die erhöhte Geometrie 7 aufgebracht.In 4 is a power semiconductor device 1 shown, wherein the carrier 15 made of electrically non-conductive material. In this embodiment, it is not necessary to provide an insulating layer. The electrically conductive layer 8th is directly related to the increased geometry 7 applied.

11
LeistungshalbleiteranordnungA power semiconductor device
22
Modulebenemodule level
33
BusbarebeneBusbarebene
44
elektrische Verbindungelectrical connection
55
elektrisch leitender Trägerelectrical conductive carrier
66
Trägeroberflächesupport surface
77
erhöhte Geometrieincreased geometry
88th
elektrisch leitende Schichtelectrical conductive layer
99
Isolationsschichtinsulation layer
1010
Leiterladder
1111
Öffnungopening
1212
Vertiefungdeepening
1313
Isolationsschichtinsulation layer
1414
Metallisierungsschichtmetallization
1515
elektrisch nicht leitender Trägerelectrical non-conductive carrier

Claims (9)

Leistungshalbleiteranordnung mit mindestens einer Modulebene, bestehend aus einem Träger und auf dem Träger angeordneten Leistungshalbleitern, und mindestens einer weiteren, mit Abstand oberhalb der Modulebene angeordneten Ebene, wobei mindestens eine elektrische Verbindung zwischen der Modulebene und der oberen Ebene vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung (4) aus einer, in den Träger (5, 15) eingeformten und gegenüber einer Trägeroberfläche (6) erhöhten, Geometrie (7), zur zumindest teilweisen Überwindung des Abstandes zwischen Modulebene (2) und oberer Ebene (3), besteht, wobei die erhöhte Geometrie (7) zumindest teilweise mit einer elektrisch leitenden Schicht (8) zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit der oberen Ebene (3) versehen ist.Power semiconductor device having at least one module level, comprising a carrier and arranged on the support power semiconductors, and at least one further, spaced above the module level plane, wherein at least one electrical connection between the module level and the upper level is provided, characterized in that the electrical connection ( 4 ) from one, into the carrier ( 5 . 15 ) and against a carrier surface ( 6 ), geometry ( 7 ), at least partially overcoming the distance between module level ( 2 ) and upper level ( 3 ), the increased geometry ( 7 ) at least partially with an electrically conductive layer ( 8th ) for making an electrical contact with the upper level ( 3 ) is provided. Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (5) aus einem elektrisch leitenden Material besteht.Power semiconductor device according to claim 1, characterized in that the carrier ( 5 ) consists of an electrically conductive material. Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der elektrisch leitenden Schicht (8) und der erhöhten Geometrie (7) eine Isolationsschicht (9, 13) vorgesehen ist.Power semiconductor device according to claim 2, characterized in that between the electrically conductive layer ( 8th ) and the increased geometry ( 7 ) an insulation layer ( 9 . 13 ) is provided. Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erhöhte Geometrie als Isolator ausgebildet ist.Power semiconductor device according to claim 2, characterized characterized in that the increased Geometry is designed as an insulator. Leistungshalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (9) oder der Isolator aus dem Trä germaterial, insbesondere durch Oxidation, hergestellt ist.Power semiconductor device according to one of claims 3 or 4, characterized in that the insulating layer ( 9 ) or the insulator from the Trä germaterial, in particular by oxidation, is produced. Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (15) aus einem elektrisch nicht leitenden Material besteht.Power semiconductor device according to claim 1, characterized in that the carrier ( 15 ) consists of an electrically non-conductive material. Leistungshalbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Schicht (8) aus mehreren Metallisierungsschichten aufgebaut ist.Power semiconductor device according to one of the preceding claims, characterized in that the electrically conductive layer ( 8th ) is composed of several metallization layers. Leistungshalbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass In der oberen Ebene (3) eine Öffnung oder Vertiefung, zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung zwischen der erhöhten Geometrie (7) und der oberen Ebene (3), vorgesehen ist.Power semiconductor device according to one of the preceding claims, characterized in that in the upper level ( 3 ) an opening or depression, for producing a positive connection between the raised geometry ( 7 ) and the upper level ( 3 ), is provided. Leistungshalbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erhöhte Geometrie (7) als Stift oder als Pyramide oder als Noppe oder als Kegel oder als Zylinder ausgebildet ist.Power semiconductor device according to one of the preceding claims, characterized in that the increased geometry ( 7 ) is designed as a pin or as a pyramid or as a knob or as a cone or as a cylinder.
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