DE102004061099A1 - Leistungshalbleitermodul mit ESD-Schutzbeschaltung und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Leistungshalbleitermodul mit ESD-Schutzbeschaltung und Verfahren zu dessen Herstellung Download PDF

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Abstract

Es wird ein Leistungshalbleitermodul mit ESD-Schutzbeschaltung und ein Verfahren zu dessen Herstellung beschrieben. Dieses weist ein das Substrat umschließendes Grundgehäuse auf. Die hierin angeordneten steuerbaren Leistungshalbleiterbauelemente weisen zu ihrer schaltungsgerecht elektrischen Verbindung auch außen führende, das Gehäuse durchdringende Last- und Hilfsanschlüsse auf. Die Hilfsanschlüsse, also der Steueranschluss sowie der Hilfsemitteranschluss, jedes steuerbaren Leistungshalbleiterbauelements sind hierbei über jeweils eine in einem gesonderten Deckel angeordnete hochohmige Verbindung miteinander verbunden. Dieser Deckel wird erst in einem letzten Herstellungsschritt auf dem Grundgehäuse angeordnet und verbleibt anschließend dort. Somit ist eine vorhergehende Messung des Gate-Emitter-Leckstroms möglich.

Description

  • Es wird ein Leistungshalbleitermodul mit ESD- Schutzbeschaltung und mit einer Grundplatte und mindestens einem hierauf angeordneten Substrat oder mit einem Substrat zur direkten Montage auf einem Kühlkörper vorgestellt.
  • Die Basis dieser Erfindung sind modernen Leistungshalbleitermodule, wie sie beispielhaft aus der DE 103 16 355 C2 bekannt sind. Derartige Leistungshalbleitermodule weisen entweder eine Grundplatte auf, oder werden direkt mit dem Substrat auf einem Kühlkörper montiert. Weiterhin weisen diese Leistungshalbleitermodule ein vorzugsweise rahmenartiges Gehäuse und einen zugeordneten Deckel auf. Innerhalb des Gehäuses ist das elektrisch isolierende Substrat angeordneten, das seinerseits besteht aus einem Isolierstoffkörper mit einer Mehrzahl von darauf befindlichen gegeneinander isolierten metallischen Verbindungsbahnen. Auf diesen Verbindungsbahnen und mit weiteren schaltungsgerecht verbunden sind eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen, vorzugsweise Leistungstransistoren wie IGBTs angeordnet. Das Leistungshalbleitermodul weist weiterhin nach außen führenden Anschlusselementen für Last- und Hilfskontakte auf, wobei zumindest ein Teil der Anschlusselemente im Inneren des Leistungshalbleitermoduls gebildet wird durch Kontaktfedern, die zwischen Verbindungsbahnen und Kontaktpunkten einer im Deckel angeordneten Leiterplatte angeordnet sind. Diese Leiterplatte weist Leiterbahnen auf, die diese Kontaktpunkte mit nach außen führenden Kontaktelementen verbinden. Die Hilfskontakte sind bekannt als Steueranschlüsse der IGBTs und als Kontakte für Sensoren, wie beispielhaft Temperatursensoren.
  • Nachteilig an derartigen Leistungshalbeitermodulen ist, dass die Steueranschlüsse nicht mit den zugeordneten Emitteranschlüssen der Leistungstransistoren hochohmig verbunden sind. Diese Verbindung weist allerdings den erheblichen Vorteil auf, dass sie die Gates der Leistungstransistoren vor elektrostatischen Entladungen, beispielsweise beim Transport, schütz und somit eine sog. ESD- (electrostatic discharge) Schutzbeschaltung darstellt. Anderseits weist eine derartige ESD- Schutzbeschaltung den Nachteil auf, dass Gate- Emitter- Leckströme einer Messung nicht mehr zugänglich sind, da die hier zu messenden Ströme deutlich geringer sind als sie die während der Messung über die ESD-Schutzbeschaltung fließenden Ströme.
  • Weiterhin bekannt sind auch Kombination aus Leistungshalbleitermodulen und Ansteuerschaltungen, die als eine Einheit ausgestaltet sind. Derartige Ansteuerschaltung weisen beispielhaft Treiberschaltungen für die Leistungstransistoren auf. Hierbei gibt es Ausgestaltungen, die ESD- Schutzschaltungen aufweisen. Allerdings basieren derartige Kombinationen nach dem Stand der Technik auf o.g. Leistungshalbeitermodulen.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Leistungshalbleitermodul ohne Ansteuerschaltung und ein zugehöriges Herstellungsverfahren vorzustellen, das einerseits bei der Herstellung einer Gate- Emitter- Leckstromprüfung zugänglich ist und andererseits eine ESD- Schutzbeschaltung für den Transport aufweist, die zum Betrieb nicht entfernt werden muss.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, durch die Maßnahmen der Merkmale des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 2. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul weist keine Kombination mit einer Ansteuerbeschaltung auf. Es weist eine Grundplatte und mindestens ein hierauf angeordnetes Substrat auf oder ist derart ausgebildet, dass das mindestens eine Substrat direkten auf einem nicht zum Leistungshalbleitermodul gehörenden Kühlkörper montiert wird. Das Substrat ist von einem rahmenartigen Grundgehäuse umschlossen und weist eine Mehrzahl von elektrisch isolierten Leiterbahnen auf. Hierauf ist mindestens ein steuerbares Leistungshalbleiterbauelement, vorzugsweise ein Leistungstransistor, angeordnet und schaltungsgerecht mit mindesten einer weiteren Leiterbahn des Substrats verbunden. Zur elektrischen Verbindung der Leistungshalbleiterbauelemente weist das Leistungshalbleitermodul nach außen führenden das Gehäuse durchdringenden Last- und Hilfsanschlüssen auf.
  • Mindestens einer der Hilfsanschluss ist ein Steueranschluss eines Leistungshalbleiterbauelements und wird mindestens gebildet aus einem ersten im Inneren des Grundgehäuses angeordneten und dort fixierten Abschnitt und aus einem zweiten einen weiteren Gehäuseteil durchdringenden Abschnitt. Hierbei sind die jeweiligen Steueranschlüsse von Leistungshalbleiterbauelementen mit einem dem gleichen Leistungshalbleiterbauelement zugeordneten Lastanschluss, geeigneterweise dem Emitteranschluss, hochohmig verbunden. Weiterhin sind die zweiten Abschnitte der Hilfsanschlüsse und die hochohmigen Verbindungen mit dem weiteren Gehäuseteil verbunden oder dort angeordnet.
  • Das zugehörige erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Schritte der Herstellung eines oben genannten Leistungshalbleitermoduls auf:
    • a) Montage des Leistungshalbleitermoduls mit einer Grundplatte und mindestens einem hierauf angeordneten Substrat oder mit mindestens einem Substrat zur direkten Montage auf einem Kühlkörper. Das Substrat wird hierbei von dem rahmenartigen Grundgehäuse umschlossen. Auf den Leiterbahnen des Substrats ist mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement schaltungsgerecht angeordneten und elektrisch mit weiteren Leiterbahnen verbunden. Mindestens eines der Leistungshalbleiterbauelemente ist steuerbar. Die ersten Abschnitte der Hilfsanschlüsse aller Leistungshalbleiterbauelements sind im Inneren des Grundgehäuses angeordnet und fixiert.
    • b) Prüfung der elektrischen Parameter des Leistungshalbleitermoduls, wobei zumindest der Gate- Emitter- Leckstrom gemessen wird.
    • c) Montage des weiteren Gehäuseteils mit je einer hochohmigen Verbindung zwischen dem Steueranschluss und einem Emitteranschluss der jeweiligen Leistungstransistoren.
    • d) Abschließende Messung weiterer Leistungsparameter des Leistungshalbleitermoduls.
  • Der erfinderische Gedanke wird anhand der Ausführungsbeispiele der 1 bis 4 näher erläutert.
  • 1 zeigt die Anordnung der Substrate und der Anschlüsse eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
  • 2 zeigt schematisch den Deckel eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
  • 3 zeigt einen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
  • 4 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
  • 1 zeigt die Grundplatte (20) mit Ausnehmung (22) zur Befestigung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls (10). Hierauf angeordnet sind zwei Substrate (40) die von einem rahmenartigen Grundgehäuse (30) umschlossen sind. Die Substrate (40) weisen einen Isolierstoffkörper (42) auf, worauf eine Mehrzahl von gegeneinander isolierten metallischen Leiterbahnen (44) angeordnet sind. Die Leistungshalbleiterbauelemente, hier als IGBTs (50) ausgestaltete Leistungstransistoren und zugehörige Freilaufdioden (52), sind auf derartigen Leiterbahnen (44) schaltungsgerecht angeordnet. Weitere Leiterbahnen dienen der Führung (46, 48) von Hilfssignalen, wie beispielhaft demjenigen zur Gateansteuerung, als Hilfsemitter und zur Kontaktierung eines Temperatursensors (54).
  • Die Leistungshalbleiterbauelement (50, 52) sind mit den Leiterbahnen des Wechselanschlusse (60) bzw. mit demjenigen des Gleichstromanschluss (62) negativer Polarität schaltungsgerecht mittels Drahtbondverbindungen elektrisch leitend verbunden. Weiterhin sind die Emitter der IGBTs mittels eines Bonddrahts (72) mit den Leiterbahnen (48) des ersten Abschnitts der Hilfsemitteranschlüsse verbunden. Die Gates der IGBTs sind mit den Leiterbahnen (46) der Ansteueranschlüsse verbunden.
  • Die Leiterbahnen der Gleich- (62) und des Wechselstromanschlusses (60) sind schaltungsgerecht miteinander und mit den zughörigen Lastanschlüssen zur externen Kontaktierung ebenfalls mittels Drahtbondverbindungen (64, 66) verbunden.
  • Die Hilfsanschlüsse umfassen die Anschlüsse des Temperatursensors (54), die Hilfsemitteranschlüsse und die Ansteueranschlüsse der Gates der Leistungstransistoren (50). Die jeweils ersten Abschnitte dieser Hilfsanschlüsse sind als Kontaktfeder ausgebildet, wobei die Kontaktfedern (82) der Hilfsanschlüsse auf den Leiterbahnen (48) und diejenigen (80) der Steueranschlüsse auf den Leiterbahnen (46) angeordnet sind.
  • 1 zeigt prinzipiell die Ausgestaltung des Leistungshalbleitermoduls gemäß Herstellungsschritt a). Im Anschluss an die Herstellung dieses Teils des Leistungshalbleitermoduls kann gemäß Herstellungsschritt b) die Messung des Basis-Emitter- Leckstroms und gegebenenfalls weiterer Parameter erfolgen.
  • 2 zeigt schematisch den Deckel (90) eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls. Das Gehäuse des Leistungshalbleitermoduls (10) wird somit gebildet aus dem Grundgehäuse (30) und dem Deckel (90). Die geometrischen Gegebenheiten entsprechen hierbei denjenigen aus 1. Somit enden die Kontaktfedern (80, 82) auf entsprechenden Kontaktstellen (100, 102) auf der Unterseite des Deckels (90). Auf dessen Oberseite (vgl. 3) ragen Kontaktstifte (92, 94) durch den Deckel (90) hindurch und bilden das Ende des zweiten Abschnitts der Hilfsanschlüsse. Weiterhin sind Verbindungsbahnen (110, 112) dargestellt, die die Kontaktpunkte (100, 102) mit den Kontaktstiften (92, 94) verbinden. Hierbei werden Hilfsemitterkontaktpunkte (100) mit zugeordneten Kontaktstiften (94) verbunden, ebenso die Steueranschlusskontaktpunkte (102) mit den hierzu zugeordneten Kontaktstiften (92).
  • Weiterhin dargestellt ist eine hochohmige Verbindung der Verbindungsbahnen (110) der Hilfsemitteranschlüssen aller Leistungshalbleiterbauelemente mit denjenigen (112) dem gleichen Leistungshalbleiterbauelement zugeordneten Steueranschlüssen. Somit ist sichergestellt, dass nach Montage gemäß Herstellungsschritt c), die Emitter- Basis Kontakte aller Leistungstransistoren (50) eine hochohmige Verbindung aufweisen. Nach der Montage können die weiteren Prüfungen des Leistungshalbleitermoduls (10) gemäß Herstellungsschritt d) erfolgen.
  • Die Verbindungsbahnen (110, 112) sowie die oben genannten Kontaktpunkte (100, 102) und Kontaktstifte (92, 94) sind auf einer als Teil des Deckels (90) ausgebildeten Leiterplatte (96) angeordnet.
  • 3 zeigt einen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls (10) nach dem Herstellungsschritt c). Auf einer Grundplatte (20) ist hier ein Substrat (40) dargestellt, welches aus einem Isolierstoffkörper (42), beispielhafte einer Aluminiumoxid- Keramik und metallischen Kaschierungen auf beiden Seiten besteht.
  • Die metallische Kaschierung der dem Modulinneren zugewandten Seite des Substrats ist in sich strukturiert und bildet somit einzelne voneinander elektrisch isolierte Leiterbahnen (44) aus. Die großflächigen Leiterbahnen tragen hierbei die steuerbaren Leistungshalbleiterbauelemente, dargestellt sind hier wiederum IGBTs (50). Die schaltungsgerechten Leistungsverbindungen (66) sind hier als Drahtbondverbindungen ausgeführt. Ebenso die Hilfsemitterverbindungen (72) und die Steueranschlussverbindungen (70) zu den jeweils zugeordneten Leiterbahnen.
  • Von den Leiterbahnen der Hilfsanschlüsse gehen Kontaktfedern (80, 82), sowohl für die Hilfsemitter (82) sowie für die Steueranschlüsse (80) aus. Diese Kontaktfedern (80, 82) bilden den ersten Abschnitt der Hilfsanschlüsse und sind in Führungen (32) des Grundgehäuses (30) fixiert und enden an Kontaktpunkten (100, 102) des Deckels (90) wobei sie bei dessen Monatage gemäß Herstellungsschritt c) mit Druck beaufschlagt werden und somit eine sicher elektrische Verbindung zwischen den Kontaktpunkten (100, 102) des Deckels (90) und den jeweiligen Leiterbahnen ausbilden. Das Grundgehäuse (30) weist weiterhin stiftartig ausgebildet Stützen (34) auf zur Positionierung des Deckels (90) auf dem Grundgehäuse (30) auf. Weiterhin wird der Deckel (90) durch Schnapp- Rast- Verbindung (36 angeordnet, wodurch der Herstellungsschritt c) besonders einfach durchzuführen ist. Anschließen können die notwendigen abschließenden Messungen am nun fertig aufgebauten Leistungshalbleitermodul (10) durchgeführt werden.
  • Der Deckel (90) selbst weist zwischen den Kontaktpunkten (100, 102) der Kontaktfedern (80, 82) und den Kontaktstiften (92, 94) Leiterbahnen (110, 112) auf. Diese Elemente bilden den zweiten Abschnitt der Hilfsanschlüsse. Zwischen der Leiterbahnen (112) der Hilfsemitter und derjenigen (110) des Steueranschlusses der jeweiligen zugeordneten IBGTs sind hochohmige Verbindungen vorgesehen, die nach dem Herstellungsschritt c) die ESD- Schutzbeschaltung des Leistungshalbleitermoduls (10) bilden.
  • 4 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls (10). Hierbei sind lediglich die Hilfsanschlüsse in anderer Weise ausgebildet. Auf den jeweiligen Leiterbahnen der Hilfsemitter bzw. der Steueranschlüsse sind Kontaktstifte (81, 83) gelötet, die als Stecker für Steckhülsen (101, 103) dienen. Diese zugeordneten Steckhülsen (101, 103) sind an der dem Modulinneren zugewandten Seite des Deckels (90) angeordnet. Durch diese Steckverbindung wird ebenfalls eine im Herstellungsschritt c) einfach herzustellenden und sichere elektrische Verbindung hergestellt. Zusätzlich können schaltungsgerecht jeweils parallel zur hochohmigen Verbindung (120) geeignete Zenerdioden angeordnet sein.
  • Gemäß der oben dargestellten beispielhaften Ausführungen wird hiermit ein Leistungshalbleitermodul (10) ohne Ansteuerschaltung hergestellt, dessen die hochohmige Verbindung bereitstellender Deckel (90) erst nach der Messung des Gate- Emitter-Leckstroms auf dem Grundgehäuse (30) angeordnet wird und dauerhaft, auch während des Einsatzes in elektronischen Schaltung, auf dem Leistungshalbleitermodul (10) verbleibt.

Claims (8)

  1. Leistungshalbleitermodul (10) ohne Ansteuerbeschaltung mit einer Grundplatte (20) und mindestens einem hierauf angeordneten Substrat (40) oder mit mindestens einem Substrat (40) zur direkten Montage auf einem Kühlkörper, mit einem rahmenartigen das Substrat umschließenden Grundgehäuse (30), mit mindestens einem schaltungsgerecht auf einer Leiterbahn (44) des Substrats angeordneten und elektrisch mit mindesten einer weiteren Leiterbahn verbundenen steuerbaren Leistungshalbleiterbauelement (52) und mit nach außen führenden das Gehäuse durchdringenden Last- (60, 62) und Hilfsanschlüssen, wobei mindestens je ein Hilfsanschluss dem Steueranschluss eines jeden Leistungshalbleiterbauelements (52) zugeordnet ist und mindestens gebildet wird aus einem ersten im Inneren des Grundgehäuses (30) angeordneten und dort fixierten Abschnitt und einem zweiten einen weiteren Gehäuseteil (90), vorzugsweise einen Deckel, durchdringenden Abschnitt, und wobei die Steueranschlüssen von allen Leistungshalbleiterbauelementen (52) mit einem dem gleichen Leistungshalbleiterbauelement (52) zugeordneten Lastanschluss, vorzugsweise einem Emitteranschluss, hochohmig verbunden sind und wobei die zweiten Abschnitte der Hilfsanschlüsse und die hochohmigen Verbindungen mit dem weiteren Gehäuseteil (90) verbunden oder dort angeordnet sind.
  2. Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls (10) gemäß nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Herstellung des Leistungshalbleitermodul (10) mit einer Grundplatte (20) und mindestens einem hierauf angeordneten Substrat (40) oder mit mindestens einem Substrat (40) zur direkten Montage auf einem Kühlkörper, mit dem rahmenartigen das Substrat (40) umschließenden Grundgehäuse (30), mit dem mindestens einen schaltungsgerecht auf den Leiterbahnen (44) des Substrats (40) angeordneten und elektrisch damit verbundenen steuerbaren Leistungshalbleiterbauelements (52) und den ersten Abschnitten der Hilfsanschlüsse; b) Prüfung elektrischer Parameter des Leistungshalbleitermoduls (10), wobei zumindest der Gate- Emitter- Leckstrom gemessen wird; c) Montage des weiteren Gehäuseteils (90) mit den hochohmigen Verbindungen (120); d) Abschließende Messung der Leistungsparameter des Leistungshalbleitermoduls (10).
  3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei der erste Teil der Hilfsanschlüsse gebildet wird durch Kontaktfedern (80, 82), die durch Halteeinrichtungen (32) des Grundgehäuse (30) gehaltert werden und die durch die Anordnung des weiteren Gehäuseteils (90) mit Druck beaufschlagt werden zur sicheren elektrischen Verbindung der beiden Abschnitte des Hilfsanschlusses.
  4. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei der erste Teil der Hilfsanschlüsse gebildet wird durch auf die Leiterbahnen des Substrats aufgelötete Kontaktstifte (81, 83), die als Stecker zur Verbindung mit zugeordneten Steckhülsen (101, 103) angeordnete am weitern Gehäuseteil (90) ausgebildet sind.
  5. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei das Leistungshalbleitermodul (10) explizit als Hilfsemitteranschlüsse ausgebildet Hilfsanschlüsse aufweist, die gleichartig wie die Steueranschlüsse ausgebildet sind und von eigenen Leiterbahnen des Substrats (40) ausgehen.
  6. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei jeweils parallel zur hochohmigen Verbindung (120) geeignete Zenerdioden schaltungsgerecht angeordnet sind.
  7. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse Rastnasen (36) und Abstandshalter (34) und der weitere Gehäuseteil (90) zugeordnete Widerlager aufweist.
  8. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der zweite Teil des Gehäuses (90) auf dem Grundgehäuse (30) mittels einer Schnapp- Rast- Verbindung angeordnet wird.
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