DE102004057421B4 - Druckkontaktiertes Leistungshalbleitermodul für hohe Umgebungstemperaturen und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Druckkontaktiertes Leistungshalbleitermodul für hohe Umgebungstemperaturen und Verfahren zu seiner Herstellung Download PDF

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Abstract

Druckkontaktiertes Leistungshalbleitermodul mit einem Gehäuse (10), einem Substrat (20) mindestens einem Leistungshalbleiterbauelement (30), mindestens einem Verbindungselement (40) sowie Last- (42, 44) und Hilfsanschlusselementen (50), wobei das Substrat (20) einzelne voneinander isoliert angeordnete metallische Leiterbahnen (24) aufweist, auf denen das mindestens eine Leistungshalbleiterbauelement (30) angeordnet ist, welches mit weiteren Leiterbahnen (24) und/oder weiteren Leistungshalbleiterbauelementen (30) mittels Verbindungselementen (40) schaltungsgerecht verbunden ist,
wobei die Lastanschlüsse (42, 44) zur externen Kontaktverbindung und die Verbindungselemente (40) mittels Sinterverbindungstechnik (60, 62) mit dem mindestens einen Leistungshalbleiterbauelement (30) und/oder den Leiterbahnen (24) des Substrats (20) verbunden sind und
wobei die Hilfsanschlüsse (50) im Inneren des Gehäuses (10) als Kontaktfedern (52) ausgestaltet sind, die durch einen Teil des Gehäuses (10) oder ein weiteres Anbauteil mit Druck beaufschlagt werden.

Description

  • Es wird ein Leistungshalbleitermodul vorgeschlagen welches für den Einsatz bei Umgebungstemperaturen über 115°C, wie sie beispielhaft beim Einsatz in Fahrzeugen auftreten, ebenso geeignet ist wie für den Einsatz unter Normalbedingungen. Weiterhin wird ein zugehöriges Herstellungsverfahren vorgeschlagen.
  • Leistungshalbleitermodule und speziell deren vielfältigen Ausgestaltungen der Montage- und Verbindungstechniken, sind seit langem bekannt. Leistungshalbleitermodule kleiner und mittlerer Leistung bestehen nach dem Stand der Technik aus einem Gehäuse, Leistungshalbleiterbauelementen, Verbindungselemente, Anschlusselementen für Last- und Hilfsanschlüsse und einem Substrat, welches auf einer zusätzlichen Grundplatte oder direkt auf einem nicht zum Leistungshalbleitermodul gehörenden Kühlkörper angeordnet ist. Hierbei bilden Lötverbindungen der als metallische Formkörper ausgebildeten Anschluss- und Verbindungselemente in jeweils schaltungsgerechter Anordnung zwischen den einzelnen Komponenten den häufig angewandten Stand der Technik. Ebenso sind die Leistungshalbleiterbauelemente mittels Löttechnik mit dem Substrat verbunden. Beispielhaft wird ein derartiger Aufbau eines Leistungshalbleitermoduls in der DE 35 05 086 A1 oder der DE 43 00 516 A1 offenbart. Nachteilig an derartigen Ausgestaltungen der Leistungshalbleitermodule ist, dass deren Herstellungsverfahren aus einer Vielzahl, häufig manuell auszuführender, Fertigungsschritte besteht, da die einzelnen Komponenten in Montageformen zusammengesetzt und anschließend in ein oder zwei Lötprozessen miteinander verbunden werden.
  • Alternativ zu ausschließlich mittels Lötverbindungen aufgebauten Leistungshalbleitermodulen sind Leistungshalbleitermodule mit internen Drahtbondverbindungen bekannt. Hierbei sind die Leistungshalbleiterbauelement ebenfalls löttechnisch mit dem Substrat verbunden. Die schaltungsgerechten Verbindungen zu weiteren Leistungshalbleitermodulen, zu Leiterbahnen des Substrats oder zu Anschlusselementen sind hier als Drahtbondverbindungen ausgestaltet, wobei jedes Leistungshalbleiterbauelement mit eine Mehrzahl von Bonddrähten verbunden wird um die erforderlichen Ströme übertragen zu können. Derartige Leistungshalbleitermodule sind beispielhaft aus der DE 39 37 045 A1 , oder in einer moderneren Ausgestaltung aus der DE 197 19 703 A1 bekannt.
  • Durch den Einsatz der Drahtbondverbindungen ist die Herstellung der Leistungshalbleitermodule besser automatisierbar, allerdings weisen die Drahtbondverbindungen den Nachteil auf, dass jeder einzelne Bonddraht in einem sequenziellen Verfahren angeordnet werden muss. Hierdurch ergeben sich doch erhebliche Fertigungszeiten.
  • Eine Alternative zur oben beschriebenen Ausgestaltung der Anschlusselemente bildet deren Ausgestaltung in Druckkontakttechnik. In der DE 196 30 173 A1 ebenso wie in der DE 102 31 219 C1 werden sowohl die Last- als auch die Hilfsanschlüsse mittels Kontaktfedern vom Substrat abgegriffen und nach außen geführt. Die Kontaktfedern sind hierbei in entsprechenden Ausformungen des Gehäuses fixiert. Durch Druckbeaufschlagung des Leistungshalbleitmoduls wird eine sichere Kontaktierung der Anschlüsse hergestellt. Hierbei wird gleichzeitig über das Gehäuse und die Federn Druck auf das Substrat eingeleitet um dieses gegen einen nicht zum Leistungshalbleitermodul gehörigen Kühlkörper zu drücken.
  • Die DE 103 16 355 B3 offenbart eine Kombination oben genannter Aufbau- und Verbindungstechniken. Hierbei werden die Leistungshalbleiterbauelemente auf dem Substrat mittels Löttechnik befestigt. Schaltungsgerechte modulinterne Verbindungen sind mittels Drahtbondverbindungen ausgestaltet, währende die Hilfsanschlüsse mittels Kontaktfedern ausgestaltet sind.
  • Nachteilig an allen bisher genannten Ausgestaltungen von Leistungshalbleitermodulen ist, dass zumindest ein Teil der Aufbau- und Verbindungstechnik durch Lötverbindungen besteht. Moderne Leistungshalbleiterbauelementen weisen eine maximale Betriebstemperatur von mindestens 150°C, zum Teil auch von 180°C auf. Im Einsatz von Leistungshalbleitermodulen variiert diese Betriebstemperatur mit dem variierenden Belastungs-, bzw. Schaltzustand. Bei steigenden Umgebungstemperaturen, speziell ab ca. 115°C, steigt auch der Mittelwert und/oder die Temperaturspanne der Betriebstemperatur der Leistungshalbleiterbauelemente und damit auch die entsprechenden Werte für die Lötverbindungen. Diese geänderten Temperaturbedingungen gehen bekanntermaßen mit einer Reduktion der Dauerhaltbarkeit dieser Lötverbindungen einher.
  • Bekannt sind weiterhin Scheibenzellen, beispielhaft gemäß der DE 40 40 753 A1 . Diese Scheibenzellen sind vorzugsweise einzelne Leistungshalbleiterbauelemente in einem gekapselten Einzelgehäuse, wobei interne Verbindungen mittels Sinterverbindungstechnik, wie sie beispielhaft in der EP 0 650 189 B1 beschrieben ist, ausgeführt sind. Derartige Verbindungen weisen eine hohe Beständigkeit gegen thermische Einflüsse auf und sind somit auch für den Einsatz bei Umgebungstemperaturen oberhalb von 115°C geeignet. Die DE 100 62 108 A1 offenbart ein Leistungshalbleitermodul mit beidseitig mittels Drucksinterverbindungen verbundenen Leistungshalbleiterbauelementen. Mit einer Hauptfläche sind die Leistungshalbleiterbauelemente mit den Leiterbahnen eines Substrats und mit der anderen Hauptfläche mit einem Element zur Temperaturspreizung verbunden. Dieses wiederum ist mit Anschlusselementen verbunden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Leistungshalbleitermodul und ein zugehöriges Herstellungsverfahren vorzustellen, das in all seinen Komponenten für Umgebungstemperaturen über 115°C und damit einhergehen für höhere Mittelwerte und/oder größere Temperaturspannen der Betriebstemperatur der Leistungshalbleiterbauelemente geeignet ist, und dessen Herstellung einfach und kostengünstig möglich ist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul besteht aus den wesentlichen Elementen: Gehäuse, Substrat, mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement, mindestens ein Verbindungselement sowie Last- und Hilfsanschlusselementen. Hierbei umschließt das Gehäuse das Substrat, welches gegebenenfalls auf einer noch zu dem Leistungshalbleitermodul gehörenden metallischen Grundplatte angeordnet ist. Vorzugweise ist das Substrat des Leistungshalbleitermoduls im Betrieb allerdings direkt auf einem Kühlkörper angeordnet.
  • Das Substrat seinerseits weist einzelne voneinander isoliert angeordnete metallische Leiterbahnen auf. Hierauf ist das mindestens eine Leistungshalbleiterbauelement angeordnet. Die schaltungsgerechte Verbindung zwischen Leistungshalbleiterbauelementen und weiteren Leiterbahnen und/oder weiteren Leistungshalbleiterbauelementen erfolgt mittels metallischer Verbindungselemente. Die Lastanschlüsse zur externen Kontaktverbindung und die Verbindungselemente zur internen Verbindung sind mittels Sinterverbindungstechnik mit dem mindestens einen Leistungshalbleiterbauelement und/oder den Leiterbahnen des Substrats verbunden.
  • Die Hilfsanschlüsse dienen beispielhaft zur Ansteuerung der Leistungshalbleiterbauelemente, als Hilfsemitteranschluss auf dem Substrat oder zur Verbindung auf dem Substrat angeordneter weiterer Bauelement, wie beispielhaft einem Temperatursensor. Diese Hilfsanschlüsse sind in ihrem Verlauf im Inneren des Gehäuses als Kontaktfedern ausgestaltet. Zur sicheren Kontaktierung dieser Hilfsanschlüsse werden diese durch einen Teil des Gehäuses, vorzugsweise einen Gehäusedeckel oder ein weiteres Anbauteil, mit Druck beaufschlagt. Es kann weiterhin vorteilhaft sein, wenn die Druckbeaufschlagung dazu dient das Substrat auf eine nicht dem Leistungshalbleitermodul zugehörige Kühleinrichtung zu drücken. Hierzu weist das Gehäuse vorteilhafterweise zusätzliche Druckelement auf. Alternativ kann der Druck auch über geeignet ausgestaltete Lastanschlusselemente auf das Substrat ausgeübt werden.
  • Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung des Leistungshalbleitermoduls, die ausschließlich Komponenten der Aufbau- und Verbindungstechnik aufweist, die auch für den dauerhaften Einsatz bei Umgebungstemperaturen oberhalb von 115°C und damit einhergehen höheren Mittelwerten und/oder größeren Temperaturspannen der Betriebstemperatur der Leistungshalbleiterbauelemente möglich sind, ist auch die Verwendung des Leistungshalbleitermodul unter diesen Bedingungen geeignet.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines oben beschriebenen Leistungshalbleitermoduls ist gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
    • a) Aufbringen erster begrenzter flächiger Schichten aus Sintermetall an vorgesehenen Flächen auf dem Substrat oder auf den dem Substrat zugewandten Flächen der Leistungshalbleiterbauelemente und der Lastanschlusselemente, die direkt auf dem Substrat angeordnet werden. Hierzu ist es bevorzugt ein Verfahren gemäß der nicht vorveröffentlichten DE 10 2004 019 567 A1 anzuwenden.
    • b) Anordnen der Leistungshalbleiterbauelemente und der Lastanschlusselemente auf den dafür vorgesehenen Flächen des Substrats.
    • c) Aufbringen zweiter begrenzter flächiger Schichten aus Sintermetall auf den vorgesehenen Flächen der Leistungshalbleiterbauelemente, oder der hierauf anzuordnenden Lastanschluss- oder Verbindungselemente.
    • d) Anordnen der Lastanschluss- und Verbindungselemente auf den vorgesehenen Flächen der Leistungshalbleiterbauelemente oder der Leistungshalbleiterbauelemente und des Substrats.
    • e) Druckbeaufschlagen aller Sinterverbindungen.
    • f) Anordnen des Gehäuses mit den Kontaktfedern auf dem Substrat.
    • g) Druckbeaufschlagen des Gehäuses zur sicheren Verbindung der Kontaktfedern mit den nach außen führenden Hilfsanschlusselementen.
  • Der erfinderische Gedanke wird anhand des Ausführungsbeispiels der 1 näher erläutert.
  • 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermoduls im Längsschnitt. Dargestellt ist das Substrat (20), vorzugsweise bestehend aus einer Industriekeramik (22) wie Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrit. Hierauf sind mittels bekannter Verfahren, wie beispielhaft des DCB-Verfahrens metallische Schichten auf einer oder beiden Hauptflächen der Keramik (22) aufgebracht. Die dem Inneren des Leistungshalbleitermoduls angeordnete metallische Schicht ist hierbei in sich strukturiert und bildet einzelne elektrisch isolierte Leiterbahnen (24).
  • Auf diesen Leiterbahnen (24) sind zwei Leistungshalbleiterbauelemente (30), beispielhaft Leistungsthyristoren, Leistungstransistoren und/oder Leistungsdioden, angeordnet. Die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Leiterbahnen (24) und den Leistungshalbleiterbauelementen (30) besteht aus einer Sintermetallschicht (60, 62), vorzugsweise aus Silber mit einer Schichtdicke von ca. 50 μm.
  • Zur schaltungsgerechten Verbindung der Leistungshalbleiterbauelemente (30) dienen metallische Verbindungselemente (40), die mittels Stanz-Biegetechniken hergestellt wurden. Hier wird die dem Substrat (20) abgewandte Leistungskontaktfläche eines Leistungshalbleiterbauelements (30) mit einer Leiterbahn (24) des Substrats (20) verbunden. Ebenso sind Verbindungen zwischen mindestens zwei Leistungshalbleiterbauelementen (30) oder zwischen mindestens zwei Leiterbahnen (24) möglich, wenn die schaltungsgerechte Verbindung dies erfordert. Die elektrisch leitenden Verbindungen (60, 62) dieser Verbindungselemente (40) mit Leistungshalbleiterbauelementen (30) und/oder Leiterbahnen (24) sind ebenfalls mittels Sinterverbindungstechnik hergestellt.
  • Die Lastanschlusselemente (42, 44) bestehen ebenso wie die Verbindungselemente (40) aus Stanz-Biegeelementen. Hier dargestellt sind zwei Lastanschlusselemente (42), die von Leiterbahnen (24) nach außen führen sowie ein Lastanschlusselement (44), das von einem Halbleiterbauelement (30) nach außen führt. Diese Lastanschlusselemente (42, 44) dienen somit der externen Kontaktierung. Auch die elektrisch leitenden Verbindungen (60, 62) dieser Lastanschlusselemente (42, 44) mit Leistungshalbleiterbauelementen (30) und/oder Leiterbahnen (24) erfolgt mittels Sinterverbindungstechnik.
  • Zu rationellen Herstellung des Verbundes aus Substrat (20), Leistungshalbleiterbauelementen (30), Verbindungs- (40) und Lastanschlusselementen (42, 44) wird in einem ersten Arbeitschritt die den Leiterbahnen (24) zugewandeten Flächen der Leistungshalbleiterbauelemente (30) sowie der auf dem Substrat (20) anzuordnenden Lastanschlusselement (42) jeweils eine flächige Sintermetallschicht (60) aufgebracht. Anschließend werden diese Komponenten auf den Leiterbahnen (24) des Substrats (20) angeordnet.
  • Im nächsten Verfahrensschritt wird auf die dem Substrat (20) zugewandten Flächen des Verbindungselements (40) sowie des Lastanschlusselements (44), welches auf einem Leistungshalbleiterbauelement (30) angeordnet ist jeweils eine flächige Sintermetallschicht (62) aufgebracht. Anschließend werden diese Komponenten auf ihrer jeweiligen Position angeordnet. Nun werden in einem einzigen Drucksinterprozess alle genannten Verbindungen (60, 62) mit Druck und Temperatur beaufschlagt. Hierdurch entstehen auch bei den oben genannten Temperaturbedingungen dauerhaltbare elektrische Verbindungen.
  • Anschießend wird ein erstes Gehäuseteil (12) derart angeordnet, dass es das Substrat (20) umschließt und überdeckt. Das Gehäuseteil (12) selbst weist Führungen (14) auf, in denen die Kontaktfedern (52) der Hilfsanschlüsse (50) angeordnet und in ihrer Position fixiert sind. Ein Deckel (16), als weiterer Teil des Gehäuses (10), weist an seiner dem Gehäuseinneren zugewandten Seite Verbindungsbahnen (54) auf. Diese Verbindungsbahnen (54) weisen ein erstes Ende auf und sind dort mit jeweiligen Metallformteilen (56) verbunden, die den Deckel (16) durchdringen und an der Außenseite als Stecker ausgebildet sind und der Verbindung der Hilfssignale dienen. Die als Kontaktfedern (52) ausgebildeten inneren Abschnitte der Hilfsanschlüsse (50) enden auf dem jeweils zweiten Ende der Verbindungsbahnen (54) des Deckels (16). Um diese Verbindung wie auch die Verbindung mit den Hilfskontaktflächen der Leistungshalbleiterbauelemente (30) sicher zu stellen werden die Kontaktfeder (52) durch den Gehäusedeckel (16) mit Druck beaufschlagt. Dies wird durch Schnapp-Rastverbindungen (18) des Deckels (16) mit dem ersten Gehäuseteil (12) erreicht.
  • Alternativ zu einem Deckel mit integrierten Leiterbahnen kann das Gehäuse auch einstückig ausgebildet sein, wobei die Kontaktfedern direkt an einem als Stecker ausgebildeten Metallformteil angeordnet sind. Hierbei werden durch das Aufsetzen des Gehäuses auf das Substrat die Kontaktfedern mit Druck beaufschlagt und somit entsteht eine sichere und auch bei Umgebungstemperaturen über 115°C dauerhaltbar elektrische Verbindungen der Hilfsanschlüsse.

Claims (7)

  1. Druckkontaktiertes Leistungshalbleitermodul mit einem Gehäuse (10), einem Substrat (20) mindestens einem Leistungshalbleiterbauelement (30), mindestens einem Verbindungselement (40) sowie Last- (42, 44) und Hilfsanschlusselementen (50), wobei das Substrat (20) einzelne voneinander isoliert angeordnete metallische Leiterbahnen (24) aufweist, auf denen das mindestens eine Leistungshalbleiterbauelement (30) angeordnet ist, welches mit weiteren Leiterbahnen (24) und/oder weiteren Leistungshalbleiterbauelementen (30) mittels Verbindungselementen (40) schaltungsgerecht verbunden ist, wobei die Lastanschlüsse (42, 44) zur externen Kontaktverbindung und die Verbindungselemente (40) mittels Sinterverbindungstechnik (60, 62) mit dem mindestens einen Leistungshalbleiterbauelement (30) und/oder den Leiterbahnen (24) des Substrats (20) verbunden sind und wobei die Hilfsanschlüsse (50) im Inneren des Gehäuses (10) als Kontaktfedern (52) ausgestaltet sind, die durch einen Teil des Gehäuses (10) oder ein weiteres Anbauteil mit Druck beaufschlagt werden.
  2. Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Aufbringen erster begrenzter flächiger Schichten (60) aus Sintermetall auf den Leiterbahnen (24) an vorgesehenen Flächen des Substrats (20) oder auf den dem Substrat (20) zugewandten Flächen der Leistungshalbleiterbauelemente (30) und der Lastanschlusselemente (42), die direkt auf dem Substrat (20) angeordnet werden; b) Anordnen der Leistungshalbleiterbauelemente (30) und der Lastanschlusselemente (42) auf den vorgesehenen Flächen des Substrats (20); c) Aufbringen zweiter begrenzter flächiger Schichten (62) aus Sintermetall auf den vorgesehenen Flächen der Leistungshalbleiterbauelemente (30), oder der hierauf anzuordnenden Lastanschluss- (44) und Verbindungselemente (40); d) Anordnen der Lastanschluss- (44) und Verbindungselemente (40) auf den vorgesehenen Flächen der Leistungshalbleiterbauelemente (30) oder der Leistungshalbleiterbauelemente (30) und des Substrats (20); e) Druckbeaufschlagen aller Sinterverbindungen f) Anordnen des Gehäuses (10) mit den Kontaktfedern (52) auf dem Substrat (20); g) Druckbeaufschlagen des Gehäuses (10) zur sicheren elektrischen Verbindung der Kontaktfedern (52) mit den nach außen führenden Teilen des Hilfsanschlusselements (50).
  3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei ein Gehäusedeckel (16) derjenige Gehäuseteil ist, der die Kontaktfedern (52) mit Druck beaufschlagt.
  4. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei die Druckbeaufschlagung dazu dient, das Substrat mit einer nicht dem Leistungshalbleitermodul zugehörigen Kühleinrichtung thermisch leitend zu verbinden und hierzu das Gehäuse zusätzliche Druckelemente aufweist und/oder der Druck über geeignet ausgestaltete Lastanschlusselemente auf das Substrat ausgeübt wird.
  5. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei die Kontaktfedern (52) der Hilfsanschlüsse (50) im Inneren des Gehäuses (10) mittels mit dem Gehäuse (10) verbundener Führungen (14) in ihrer Position fixiert sind.
  6. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei die Kontaktfedern (52) an ihrem dem Substrat (20) abgewandten Ende an einem Metallformteil (56) angeordnet sind, das zur externen Verbindung als Stecker ausgebildet ist.
  7. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei die Kontaktfedern (52) an ihrem dem Substrat (20) abgewandten Ende mit einer leitfähigen Schicht (54) des Gehäuse (10) verbunden sind und diese leitfähige Schicht (54) mit einem Metallformteil (56) verbunden ist, das zur externen Verbindung als Stecker ausgebildet ist.
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