DE102005030247B4 - Leistungshalbleitermodul mit Verbindungselementen hoher Stromtragfähigkeit - Google Patents

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Abstract

Leistungshalbleitermodul (10) mit einer Grundplatte (20) oder zur direkten Montage auf einem Kühlkörper mindestens bestehend aus einem Gehäuse (30), nach außen führenden Anschlusselementen (40) für externe Lastkontakte, mindestens einem innerhalb des Gehäuses (30) angeordneten elektrisch isolierenden Substrat (50), das seinerseits besteht aus einem Isolierstoffkörper (54) und auf dessen der Grundplatte (20) oder dem Kühlkörper abgewandten ersten Hauptfläche befindlichen Mehrzahl von gegeneinander elektrisch isolierten metallischen Verbindungsbahnen (52), hierauf angeordnet mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement (56) und mindestens einem Verbindungselement zwischen mindestens einem Leistungshalbleiterbauelement (56) und einer Leiterbahn (52) oder einem Anschlusselement (40), wobei dieses Verbindungselement ausgebildet ist als ein Metallformkörper (80), wobei dieser Metallformkörper (80) oberhalb des Leistungshalbleiterbauelements (56) angeordnet ist und dieses auf mindestens einer Seite überragt und dieser Metallformkörper (80) erste Stützstellen (810) mit dem Leistungshalbleiterbauelement (56) aufweist, wobei die Gesamtfläche dieser Stützstellen die Hälfte der überdeckten Fläche des Leistungshalbleiterbauelements unterschreitet, und mindestens eine zweite Stützstelle (820) mit einer Leiterbahn...

Description

  • Die Erfindung beschreibt ein Leistungshalbleitermodul bestehend aus einem Gehäuse mit Grundplatte oder zur Montage auf einem Kühlkörper und mindestens einem darin angeordneten elektrisch isolierenden Substrat. Dieses besteht seinerseits aus einem Isolierstoffkörper mit einer Mehrzahl darauf befindlicher gegeneinander isolierter metallischer Verbindungsbahnen und hierauf befindlichen und mit diesen Verbindungsbahnen schaltungsgerecht verbundenen Leistungshalbleiterbauelementen. Vorteilhafterweise weist das Substrat auf seiner Unterseite eine flächige metallische Schicht, vergleichbar den Verbindungsbahnen, auf. Weiterhin weisen derartige Leistungshalbleitermodule Anschlusselemente für externe Last- und Hilfskontakte und zum Teil auch Verbindungselemente für Verbindungen im Inneren des Leistungshalbleitermoduls auf.
  • Leistungshalbleitermodule, die Ausgangspunkt dieser Erfindung sind, sind beispielhaft bekannt aus der DE 39 37 045 A1 . Hierin ist ein Leistungshalbleitermodul in Form einer Halbbrückenschaltungsanordnung offenbart. Dieses Leistungshalbleitermodul weist als externe Lastanschlusselemente für die beiden Gleichstromanschlüsse und für den Wechselstromanschluss flächig ausgestaltete Metallformkörper auf. Diese als Anschlussbänder ausgebildeten Metallformkörper sind zur Reduktion parasitärer Induktivitäten im Inneren des Moduls möglichst eng benachbart zueinander angeordnet. Eine ebensolche Anordnung offenbart die DE 91 16 499 U1 , wobei hier zusätzliche Teile der Verbindungselemente direkt flächig auf Halbleiterbauelemente gelötet sind.
  • Gemäß der als Stand der Technik genannten Druckschrift sind die Substrate derartiger Leistungshalbleitermodule ausgebildet als isolierende Substrat bestehend aus einem Isolierstoffkörper als Trägermaterial und zur elektrischen Isolierung zu einer Grundplatte oder zu einem Kühlkörper. Dieser Isolierstoffkörper besteht nach dem Stand der Technik aus einer Industriekeramik beispielhaft Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrit. Auf diesem Isolierstoffkörper auf dessen der Grundplatte oder dem Kühlkörper abgewandten ersten Hauptfläche befinden sich eine Mehrzahl von gegeneinander elektrisch isolierten metallischen Verbindungsbahnen. Auf diesen wiederum sind die Leistungshalbleiterbauelementen angeordnet. Meist weist der Isolierstoffkörper auf seiner der Grundplatte oder dem Kühlkörper zugewandten zweiten Hauptfläche ebenfalls eine metallische Schicht gleichen Materials und gleicher Dicke wie die Verbindungsbahnen auf der ersten Hauptfläche auf. In der Regel ist diese Schicht allerdings nicht in sich strukturiert, da sie beispielhaft der Lötverbindung zu einer Grundplatte dient. Die Verbindungsbahnen sowie die metallische Schicht der zweiten Hauptfläche bestehen vorzugsweise aus nach dem DCB (direct copper bonding) Verfahren aufgebrachten Kupfer.
  • Zur Verbindung der genannten Leiterbahnen mit den Leistungshalbleiterbauelementen sind Verbindungselemente angeordnet, die nach dem Stand der Technik als Drahtbondverbindungen ausgebildet sind. Weiterhin sind auf diesen Verbindungsbahnen und mit ihnen stoffbündig verbunden die Anschlusselemente, die als Metallformkörper ausgebildet sind, zur externen elektrischen Verbindung des Leistungshalbleitermoduls angeordnet.
  • Drahtbondverbindungen sind eine vielseitig einsetzbare und sehr flexible Ausgestaltung von Verbindungselementen. Bei der Verbindung von Leistungshalbleiterbauelementen kann durch Vergrößerung der Anzahl der Bonddrähte die Stromtragfähigkeit dieser Verbindung erhöht werden. Moderne Leistungshalbleiterbauelemente, speziell Leistungstransistoren wie IGBTs (insulated gate bipolar transistor) oder MOS-FETs, aber auch Leistungsdioden und Leistungsthyristoren, weisen bei gleich bleibender Fläche eine zunehmende größere Stromtragfähigkeit auf. Einhergehend mit dieser Entwicklung der Leistungshalbleiterbauelemente müssen auch die Verbindungselemente weiterentwickelt werden. Drahtbondverbindungen sind in ihrer Anzahl der Bonddrähte limitiert durch die notwendige Größe der Bondfüße sowie durch einen minimal notwendigen Abstand zueinander.
  • Ein weiterer bekannter Nachteil von Drahtbondverbindungen ist deren serielles Herstellungsverfahren. Eine zunehmende Anzahl von Bonddrähten pro Leistungshalbleiterbauelement bzw. Leistungshalbleitermodul steigert auch den Zeitbedarf der Herstellung und damit die Herstellungskosten.
  • Die beschriebenen Leistungshalbleitermodule müssen beispielhaft bei Betriebstemperaturen zwischen –40°C und +90°C, die sowohl durch die Umgebungsbedingungen als auch durch modulinterne Verlustleistung beeinflusst werden, dauerhaft betrieben werden können. Die thermische Ausdehungskoeffizient aller Komponenten eines Leistungshalbleitermoduls sind daher bereits bei der Konstruktion zu berücksichtigen. Hierzu bildet die DE 102 21 085 A1 den bekannten Stand der Technik weiter. Hierin ist ein Verbindungselement offenbart, das aus einem metallischen Leiter besteht, bei dem im Bereich des Kontakts zu einem Halbleiterbauelement Material derart entfernt wird, dass hierdurch eine wellenartige Form ausgebildet wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verbindungselement zur Verbindung zwischen einem Leistungshalbleiterbauelement und einer Verbindungsbahn oder einem Anschlusselement vorzustellen, wobei dieses Verbindungselement eine hohe Stromtragfähigkeit aufweist, in einem weiten Temperaturbereich einen sicheren Kontakt gewährleisten und in bekannten Fertigungsschritten herstellbar ist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Der erfinderische Gedanke geht aus von einem Leistungshalbleitermodul mit einer Grundplatte oder zur direkten Montage auf einem Kühlkörper. Dieses Leistungshalbleitermodul weist mindestens folgende Komponenten auf: ein Gehäuse, Anschlusselemente für Last- und Hilfsanschlüsse, ein Substrat mit Leiterbahnen, ein Leistungshalbleiterbauelement und ein Verbindungselement zur Verbindung des Leistungshalbleiterbauelements.
  • Die Anschlusselemente für Last- und Hilfskontakte führen aus dem Gehäuse heraus und dienen der elektrischen Verbindung der im Gehäuseinneren angeordneten Komponenten. Das elektrisch isolierende zur Grundplatte oder zum Kühlkörper ausgebildete Substrat besteht seinerseits aus einem Isolierstoffkörper, vorzugsweise einer Industriekeramik, und hierauf auf dessen der Grundplatte oder dem Kühlkörper abgewandten ersten Hauptfläche befindlich einer Mehrzahl von gegeneinander elektrisch isolierten metallischen Verbindungsbahnen. Auf diesen Verbindungsbahnen sind Leistungshalbleiterbauelemente angeordnet und schaltungsgerecht mittels Verbindungselementen mit Verbindungsbahnen und/oder weiteren Leistungshalbleiterbauelementen und/oder Anschlusselementen verbunden.
  • Die genannten Verbindungselemente sind erfindungsgemäß ausgebildet als mindestens ein Metallformkörper, wobei dieser Metallformkörper oberhalb des zu verbindenden Leistungshalbleiterbauelements angeordnet ist und dieses auf mindestens einer Seite überragt. Der Metallformkörper weist erste Stützstellen mit dem Leistungshalbleiterbauelement auf, wobei die Gesamtfläche dieser Stützstellen die Hälfte der überdeckten Fläche des Leistungshalbleiterbauelements unterschreitet. Der Metallformkörper weist mindestens eine zweite Stützstelle mit einer Leiterbahn und/oder einem Anschlusselement auf. Erfindungsgemäß sind die Stützstellen der Metallformkörper mit dem Leistungshalbleiterbauelement stoffbündig verbunden.
  • Vorteilhaft an der genannten Ausgestaltung der Verbindungselemente ist, dass durch die Ausgestaltung als Metallformkörper im Vergleich zu Drahtbondverbindungen größere Querschnittsflächen für die Stromleitung zur Verfügung stehen und somit eine höhere Stromtragfähigkeit gegeben ist. Andererseits werden mittels einer maximalen erlaubten Größe der Fläche der Stützstellen durch Temperaturänderungen verursachte mechanischen Spannungen zwischen Verbindungselement und Leistungshalbleiterbauelement vermieden, da die Kontaktfläche entsprechend klein dimensioniert ist. Somit ist eine wesentlich erhöhte Dauerhaltbarkeit der Verbindung gewährleistet.
  • Der erfinderische Gedanke wird anhand der Ausführungsbeispiele der 1 bis 7 näher erläutert.
  • 1 zeigt ein Leistungshalbleitermodul nach dem Stand der Technik.
  • 2 und 3 zeigen jeweils einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäß weitergebildeten Leistungshalbleitermodul in zweidimensionaler Darstellung.
  • 4 und 5 zeigen jeweils einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäß weitergebildeten Leistungshalbleitermodul in dreidimensionaler Darstellung.
  • 6 und 7 zeigen erfindungsgemäß ausgebildete Metallformkörper.
  • 1 zeigt ein Leistungshalbleitermodul (10) nach dem Stand der Technik mit einer Grundplatte (20) im Längsschnitt. Auf dieser Grundplatte angeordnet sind das rahmenartige Gehäuse (30) sowie die beiden Substrate (50). Jedes Substrat (50) besteht aus einem Isolierstoffkörper (54) sowie aus metallischen Kaschierungen, die auf beiden Hauptflächen angeordnet sind. Die der Grundplatte (20) zugewandte metallische Kaschierung (53) ist flächig ausgebildet und nicht strukturiert. Demgegenüber ist die dem Leistungshalbleitermodulinneren zugewandte Kaschierung in sich strukturiert und bildet somit die Leiterbahnen (52) des Substrats aus.
  • Auf diesen Leiterbahnen (52) sind die Leistungshalbleiterbauelemente (56) angeordnet. Die elektrischen Anschlusselemente bilden die Leistungs- (40) und die Hilfsanschlüsse (60). Die Hilfsanschlüsse (60) zur Druckkontaktierung sind als Kontaktfedern ausgebildet und bedürfen einer Druckbeaufschlagung zur sicheren elektrischen Kontaktierung.
  • Die Anschlusselemente (40) der Leistungsanschlüsse werden gebildet durch Metallformkörper, die an ihrem einen Ende löttechnisch mit der zugeordneten Leiterbahn (52) des Substrats (50) stumpf verbunden sind und an ihrem anderen Ende eine Ausnehmung zu Schraubverbindung aufweisen.
  • Das einstückig einen Rahmen und einen Deckel bildende Gehäuse (30) weist Ausformungen auf zur Positionierung und Fixierung der Leistungs- (40) und Hilfsanschlüsse (60). Die Leistungsanschlüsse werden jeweils in einer Ausformung des Gehäuses fixiert.
  • Die weiteren Anschlussverbindungen der Leistungsanschlüsse (40) zur Anbindung an den Gleichstromzwischenkreis und die Last sind hier als Kabelverbindungen (100) ausgebildet.
  • Die schaltungsgerechte Verbindung der Leistungshalbleiterbauelemente mit den Leiterbahnen (52) ist als Drahtbondverbindung (70) ausgebildet. Grundsätzlich gibt es hiervon zwei Ausgestaltungen innerhalb eines Leistungshalbleitermoduls (10). Einerseits die Leistungsverbindungen, die durch eine Vielzahl von Bonddrähten gebildet wird und den zu steuernden Strom durch das Leistungshalbleiterbauelement führen. Anderseits sind bei gesteuerten Leistungshalbleiterbauelementen, wie IGBT oder Thyristoren, zusätzliche Steuerverbindungen notwendig, die nach dem Stand der Technik als ein einzelner Bondraht ausgestaltet sind.
  • 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul (10) in zweidimensionaler Darstellung. Hierbei entspricht sowohl die Ansicht als auch die einzelnen Element denjenigen der 1. Erfindungsgemäß weitergebildet ist hierbei die Lastverbindung zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement und einer Leiterbahn (52). Das zugehörige Verbindungselement ist ausgestaltet als ein Metallformkörper (80). Dieser ist oberhalb des Leistungshalbleiterbauelements (56) angeordnet und weist in diesem Bereich eine Wellenform auf. Auf Grund dieser Wellenform bildet der Metallformkörper eine Mehrzahl von Stützstellen (810) aus, die ihn mit dem Leistungshalbleiterbauelement verbinden.
  • Zur sicheren elektrischen Verbindung ist ein Druckelement (34) als Bestandteil des Gehäuses (30) des Leistungshalbleitermoduls (10) oberhalb des Leistungshalbleiterbauelements angeordnet, welches den Metallformkörper (80) mit Druck beaufschlagt. Derartige stoffbündige Verbindungen weisen eine sehr hohe Dauerhaltbarkeit auch bei hoher Beanspruchung durch Temperaturwechsel auf.
  • Der Metallformkörper (80) überragt das Leistungshalbleiterbauelement auf einer Seite und bildet an der Oberseite einer Leiterbahn (52) eine Stützstelle (820) mit dieser aus. Die Verbindung des Metallformkörpers mit der Leiterbahn an dieser Stützstelle (820) wird wiederum mittels eines Druckelements (32) stoffbündig ausgebildet.
  • 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Verbindungselements innerhalb eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls. Dargestellt ist wiederum ein Metallformkörper (80), hierbei allerdings zur direkten Verbindung eines Leistungshalbleiterbauelements (56) mit einem Anschlusselement (40). Im Gegensatz zur Ausgestaltung gemäß 2 sind hier die Verbindungen zwischen dem Metallformkörper und dem Anschlusselement als stoffschlüssige Verbindungen, vorteilhafterweise als Löt- oder Klebeverbindung, ausgestaltet.
  • 4 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäß weitergebildeten Leistungshalbleitermodul in dreidimensionaler Darstellung. Dargestellt ist hierbei die Grundplatte (20), ein hierauf angeordnetes isolierendes Substrat (50) mit einem Isolierstoffkörper (54) und hierauf ausgebildeten Leiterbahnen (52). Auf diesen Leiterbahnen ist jeweils ein Leistungshalbleiterbauelement (56), hier je eine Leistungsdiode, angeordnet. Anschlusselemente (40) dienen der externen Lastverbindung des Leistungshalbleiterbauelements (56). Die dem Substrat abgewandeten Kontaktflächen der Leistungshalbleiterbauelemente (56) sind mittels erfindungsgemäßer Metallformkörper (80) mit einem gemeinsamen Anschlusselement (40) verbunden.
  • Der Metallformkörper ist hierbei ausgebildet als eine Mehrzahl zueinander paralleler Metallbänder (86), die an ihren jeweiligen Enden miteinander verbunden sind.
  • Die jeweiligen Metallformköper (80) der beiden Leistungshalbleiterbauelemente (56) sind ebenfalls miteinander verbunden und bilden somit ein gemeinsames Verbindungselement zwischen den Leistungshalbleiterbauelementen (56) und dem Anschlusselementen (40).
  • 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelements (10) in einem dreidimensional dargestellten Ausschnitt. Hierbei sind wiederum zwei Leistungshalbleiterbauelemente (56) auf jeweils einer Leiterbahn (52) eines Substrats (50) angeordnet. Das erste Verbindungselement in Form des Metallformkörpers (80a) verbindet das zugeordnete Leistungshalbleiterbauelement (56) mit einem zugeordneten Anschlusselemente (40), während das zweite Verbindungselement in Form des Metallformkörpers (80b) das zugeordnete Leistungshalbleiterbauelemente mit dem ersten Metallformkörper (80a) verbindet. Beide Metallformkörper (80a/b) sind analog zu 4 ausgebildet als eine Mehrzahl parallel zueinander angeordneter gewellter und miteinander verbundener Bänder (86).
  • 6 und 7 zeigen Teile zur Anordnung auf den Leistungshalbleiterbauelementen des erfindungsgemäß ausgebildeten Metallformkörpers in dreidimensionaler Darstellung. Beiden Metallformkörpern (80) ist gemeinsam, dass sie mittige Aussparungen (90) aufweisen. Diese Aussparungen dienen der Verbindung eines Steueranschlusses eines zu verbindenden Leistungshalbleiterbauelementes. Diese Verbindung des Steueranschlusses wird gemäß dem Stand der Technik mittels einer Kontaktfeder ausgeführt.
  • Der Metallformkörper gemäß 6 wird gebildet durch ein einziges gewellt ausgebildetes Band (82), das zur Erhöhung der Flexibilität vorteilhafterweise eine Vielzahl von Ausnehmungen (84) aufweist.
  • Der Metallformkörper gemäß 7 ist als ein Geflecht einzelner Drähte (88) ausgebildet. Diese Ausgestaltung zeigt eine gegenüber derjenigen der 6 eine weiter erhöhte Flexibilität.

Claims (7)

  1. Leistungshalbleitermodul (10) mit einer Grundplatte (20) oder zur direkten Montage auf einem Kühlkörper mindestens bestehend aus einem Gehäuse (30), nach außen führenden Anschlusselementen (40) für externe Lastkontakte, mindestens einem innerhalb des Gehäuses (30) angeordneten elektrisch isolierenden Substrat (50), das seinerseits besteht aus einem Isolierstoffkörper (54) und auf dessen der Grundplatte (20) oder dem Kühlkörper abgewandten ersten Hauptfläche befindlichen Mehrzahl von gegeneinander elektrisch isolierten metallischen Verbindungsbahnen (52), hierauf angeordnet mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement (56) und mindestens einem Verbindungselement zwischen mindestens einem Leistungshalbleiterbauelement (56) und einer Leiterbahn (52) oder einem Anschlusselement (40), wobei dieses Verbindungselement ausgebildet ist als ein Metallformkörper (80), wobei dieser Metallformkörper (80) oberhalb des Leistungshalbleiterbauelements (56) angeordnet ist und dieses auf mindestens einer Seite überragt und dieser Metallformkörper (80) erste Stützstellen (810) mit dem Leistungshalbleiterbauelement (56) aufweist, wobei die Gesamtfläche dieser Stützstellen die Hälfte der überdeckten Fläche des Leistungshalbleiterbauelements unterschreitet, und mindestens eine zweite Stützstelle (820) mit einer Leiterbahn (52) oder einem Anschlusselement (40) aufweist und wobei die Stützstellen (810) des Metallformkörpers (80) mit dem Leistungshalbleiterbauelement (56) stoffbündig verbunden sind.
  2. Leistungshalbleitermodul (10) nach Anspruch 1, wobei der Metallformkörper (80) aus Kupfer mit einer Oberfläche aus Zinn oder Silber ausgebildet ist.
  3. Leistungshalbleitermodul (10) nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Stützstelle (820) des Metallformkörpes (80) mit der Leiterbahn (52) oder dem Anschlusselement (40) stoffbündig verbunden ist.
  4. Leistungshalbleitermodul (10) nach Anspruch 1, wobei der Metallformkörper (80) über dem Leistungshalbleiterbauelement (56) als gewelltes Band (82) mit Ausnehmungen (84) ausgebildet ist.
  5. Leistungshalbleitermodul (10) nach Anspruch 1, wobei der Metallformkörper (80) über dem Leistungshalbleiterbauelement (56) als eine Mehrzahl parallel zueinander angeordneter gewellter und mindesten einmal miteinander verbundener Bänder (86) ausgebildet ist.
  6. Leistungshalbleitermodul (10) nach Anspruch 1, wobei der Metallformkörper (80) über dem Leistungshalbleiterbauelement (56) als ein Geflecht einzelner Drähte (88) ausgebildet ist.
  7. Leistungshalbleitermodul (10) nach Anspruch 1, wobei der Metallformkörper (80) Aussparungen (90) für Steueranschlüsse aufweist.
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