DE102005061016B4

DE102005061016B4 - Leistungshalbleitermodul, Verfahren zu seiner Herstellung und Verwendung in einem Schaltnetzteil

Info

Publication number: DE102005061016B4
Application number: DE102005061016.1A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Hable Wolfram
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2018-12-06
Anticipated expiration: 2025-12-20
Also published as: WO2007071216A1; DE102005061016A1

Abstract

Leistungshalbleitermodul (1) mit einem oder mehreren auf einem Leistungssubstrat (2) angeordneten Leistungshalbleiterbauteilen und mit einem zur Steuerung der Leistungshalbleiterbauteile vorgesehenen, auf einem Verbindungssubstrat (8) angeordneten Logikhalbleiterchip (6), wobei der Logikhalbleiterchip (6) von einem Kunststoffgehäuse (7) zumindest teilweise umgeben und über Außenkontakte (13) mit dem Verbindungssubstrat (8) verbunden ist, wobei das Leistungssubstrat (2) und das Verbindungssubstrat (8) voneinander galvanisch getrennt sind und das Verbindungssubstrat (8) elektrisch über Bonddrähte (11) mit einem Durchmesser d mit d ≤ 1 mm und mechanisch nur über die Bonddrähte (11) und über ein weiteres Kunststoffgehäuse (14) mit dem Leistungssubstrat (2) verbunden ist, wobei das Verbindungssubstrat Pins (9) zur Verbindung des Leistungshalbleitermoduls (1) mit einer übergeordneten Platine aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit einem oder mehreren auf einem Leistungssubstrat angeordneten Leistungshalbleiterbauteilen und mit einem Logikhalbleiterchip.
Ein Schaltnetzteil wandelt mit Hilfe eines elektronischen Schaltelements, einer Induktivität und einer nachfolgenden Gleichrichtung eine Eingangsspannung in eine kleinere oder größere Ausgangsgleichspannung um. Schaltnetzteile haben den Vorteil, dass sie eine stabile Spannungsversorgung mit gleichzeitig sehr hohem Wirkungsgrad bereitstellen, da ihre Halbleiterbauteile lediglich als Schalter eingesetzt werden und daher nur Schalt- und Durchlassverluste entstehen.
In einem sogenannten „intelligenten Schaltnetzteil“ übernimmt ein Logikchip die Steuerung der Leistungshalbleiterbauteile. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Schaltverhalten des Netzteils zu jedem Zeitpunkt auf Schwankungen in der Netzspannung und in der Belastung durch den Verbraucher optimal eingestellt werden kann.
Typischerweise weist ein Leistungshalbleitermodul für ein Schaltnetzteil ein oder mehrere Leistungshalbleiterbauteile auf, die auf einem Leistungssubstrat angeordnet sind. Ebenfalls auf dem Leistungssubstrat angeordnet ist der Logikhalbleiterchip, der die Steuerung der Leistungshalbleiterbauteile übernimmt. Er ist durch eine oder eine Anzahl von Löt- oder Klebverbindungen mechanisch und beispielsweise über Lötverbindungen und/oder dünne Bonddrähte elektrisch mit dem Leistungssubstrat verbunden. Dabei muss schon bei der Produktion des Leistungssubstrates ein Platz für den Logikhalbleiterchip vorgesehen sein. Eine flexible Produktion ist daher nicht möglich, vielmehr muss die Produktion von Anfang an speziell auf den Einsatzzweck in einem intelligenten Schaltnetzteil zugeschnitten sein.
Die WO 2005/ 106 954 A2 , die US 2005 / 0 237 722 A1 und die EP 1 143 514 A2 offenbaren jeweils Leistungshalbleitermodule.
Die WO 00/ 74 446 A1 beschreibt ein Leistungshableitermodul mit einem Leistungssubstrat auf dem mehrere Bauelemente angeordnet sind und einer Leiterplatte, auf der weitere Bauelemente angeordnet sind. Das Leistungssubstrat und ein überwiegender Teil der Leiterplatte sind auf einem Kühlkörper angeordnet, wobei die Leiterplatte eine Aussparung aufweist, in der das Leistungssubstrat angeordnet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Leistungshalbleitermodul, das weitgehend unter Einsatz von Standardkomponenten und Standardverfahren herstellbar ist, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leistungshalbleitermoduls anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Leistungshalbleitermodul gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul umfasst einen oder mehrere auf einem Leistungssubstrat angeordnete Leistungshalbleiterbauteile und einen zur Steuerung der Leistungshalbleiterbauteile vorgesehenen, auf einem Verbindungssubstrat angeordneten Logikhalbleiterchip. Der Logikhalbleiterchip ist von einem Kunststoffgehäuse zumindest teilweise umgeben und über Außenkontakte mit dem Verbindungssubstrat verbunden. Das Leistungssubstrat und das Verbindungssubstrat sind galvanisch voneinander getrennt und das Logikbauteil ist nur über Bonddrähte mit einem Durchmesser d mit d ≤ 1 mm und über ein weiteres Kunststoffgehäuse mit dem Leistungssubstrat verbunden, wobei das Verbindungssubstrat Pins zur Verbindung des Leistungshalbleitermoduls mit einer übergeordneten Platine aufweist.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass gerade bei Leistungshalbleitermodulen den Bemühungen zur Einsparung von Platz auf dem Leistungssubstrat enge Grenzen gesetzt sind, da die Leistungshalbleiterbauteile selbst sich nicht beliebig verkleinern lassen. Jedoch kann die volle Fläche, die das Logikhalbleiterbauteil auf dem Leistungssubstrat einnimmt, dadurch eingespart werden, dass das Logikhalbleiterbauteil nicht direkt auf das Leistungssubstrat gelötet oder geklebt wird. Stattdessen sollte das Logikhalbleiterbauteil von dem Leistungssubstrat wegverlagert und auf einem eigenen Verbindungssubstrat angeordnet werden. Die notwendige elektrische und mechanische Verbindung kann stabil über Bonddrähte, die vorzugsweise als Hauptbestandteil Aluminium aufweisen, hergestellt werden.
Als Leistungssubstrat ist ein keramisches Substrat mit einer oder mehreren direkt auf das keramische Substrat aufgebrachten Kupferschichten, ein sogenanntes „Direct Copper Bond“- oder DCB-Substrat, besonders geeignet, weil es aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit die bei Leistungshalbleiterbauteilen besonders wichtige Wärmeabfuhr zuverlässig und effektiv ermöglicht.
Als Verbindungssubstrat ist vorteilhafterweise ein Umverdrahtungssubstrat, beispielsweise ein Substrat, vorgesehen. Der Logikhalbleiterchip ist zum Schutz vor äußeren Einflüssen vorteilhafterweise in einem Kunststoffgehäuse ganz oder teilweise eingeschlossen.
Das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul ist beispielsweise zur Verwendung in einem Schaltnetzteil geeignet.
Das Leistungshalbleitermodul weist gegenüber herkömmlichen Leistungshalbleitermodulen zwei hauptsächliche Vorteile auf: Erstens ist es kompakter und erlaubt eine Verkleinerung des Leistungssubstrats. Zweitens ist das erfindungsgemäße Halbleitermodul besonders flexibel gestaltbar, weil für den Logikhalbleiterchip kein Platz auf dem Leistungssubstrat reserviert werden muss. Das Leistungshalbleitermodul ist stattdessen aus zwei Modulen, nämlich dem Leistungsmodul und dem Logikmodul zusammengesetzt, die jeweils unabhängig voneinander herstellbar und aus Standardkomponenten aufgebaut sind.
Das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul verzichtet auf ein Auflöten oder Aufkleben des Logikhalbleiterchips auf das Leistungssubstrat und realisiert die elektrische Verbindung zwischen dem Verbindungssubstrat und den Leistungshalbleiterbauteilen über Bonddrähte.
Nach der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls folgende Schritte:
Zunächst wird ein Leistungssubstrat mit einem oder mehreren auf dem Leistungssubstrat angeordneten Leistungshalbleiterbauteilen bereitgestellt. Außerdem wird ein auf einem verbindungssubstrat angeordneter Logikhalbleiterchip bereitgestellt. Das Verbindungssubstrat weist eine Anzahl von Kontaktanschlussflächen auf.
Anschließend werden elektrische Verbindungen zwischen den Leistungshalbleiterbauteilen auf dem Leistungssubstrat und den Kontaktanschlussflächen auf dem Verbindungssubstrat selbst hergestellt, wobei zur elektrischen und gleichzeitig zur mechanischen Verbindung Bonddrähte mit einem Durchmesser d mit d ≤ 1 mm verwendet werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird das Leistungshalbleitermodul vorteilhafterweise mit einer Kunststoffmasse vergossen.
Bei der Herstellung des Leistungshalbleitermoduls kann also auf das Auflöten oder Aufkleben des Logikhalbleiterbauteils auf das Leistungssubstrat verzichtet werden. Stattdessen wird der Logikhalbleiterchip auf ein Verbindungssubstrat aufgebracht, das beispielsweise ein Standardsubstrat sein kann.
Ein besonderer Vorteil liegt in dem modularen Charakter des Leistungshalbleitermoduls. Sowohl das Leistungshalbleiterbauteil als auch der Logikhalbleiterchip können getrennt mit herkömmlichen Methoden hergestellt werden, ohne dass dabei Rücksicht auf eine Kombinierbarkeit von beidem, beispielsweise im Hinblick auf einen für den Logikhalbleiterchip auf dem Leistungssubstrat zu reservierenden Platz, genommen werden muss.
Beide Module - das Leistungshalbleiterbauteil und der Logikhalbleiterchip auf dem Verbindungssubstrat - werden über Bonddrähte miteinander elektrisch verbunden und somit zu einem Leistungshalbleitermodul verknüpft. Als Verbindungssubstrat kann dabei ein verhältnismäßig preiswertes und einfach zu verarbeitendes Standardsubstrat verwendet werden. Auch die Verbindung zwischen dem Verbindungssubstrat und dem Leistungssubstrat ist sehr einfach und kostengünstig über Bonddrähte herstellbar.
Damit ist nicht nur das Leistungshalbleitermodul deutlich flexibler gestaltbar, sondern auch seine Herstellung ist einfacher und Zeit sparender und somit kostengünstiger möglich.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.

1 zeigt schematisch ein Leistungshalbleitermodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und
2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch das Leistungshalbleitermodul gemäß 1.

Gleiche Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Das Leistungshalbleitermodul 1 gemäß 1 weist ein Leistungssubstrat 2 auf, das beispielsweise ein sogenanntes DCB-Substrat aus einer keramischen Schicht mit einer oder mehreren darauf aufgebrachten Kupferschichten 3 sein kann. Auf dem Leistungssubstrat (2) ist eine Anzahl von Leistungshalbleiterchips (4) angeordnet. Falls das Leistungshalbleitermodul 1 zur Verwendung in einem Schaltnetzteil vorgesehen ist, können die Leistungshalbleiterchips 4 beispielsweise eine Brücken- oder Halbbrückenschaltung bilden. Dieses Leistungshalbleiterbauteil bildet eines der beiden Module, aus denen das Leistungshalbleitermodul (1) zusammengesetzt wird.
Das zweite Modul wird durch mindestens einen Logikhalbleiterchip 6, der zur Ansteuerung der Leistungshalbleiterchips 4 vorgesehen ist, gebildet. Der Logikhalbleiterchip 6 ist mit einem Kunststoffgehäuse 7 umgeben und auf einem Verbindungssubstrat 8 angeordnet und über Außenkontakte 13 mit dem Verbindungssubstrat 8 verbunden.
Die Verbindung zwischen dem Verbindungssubstrat 8 und dem Leistungssubstrat 2 wird über Bonddrähte 11 hergestellt. Diese Bonddrähte 11 bestehen hauptsächlich aus Aluminium und ermöglichen die elektrische Verbindung zwischen dem Verbindungssubstrat 8 und dem Leistungssubstrat 2 und koppeln auf diese Weise die beiden Module zusammen.
Das Leistungshalbleitermodul ist von einem Kunststoffgehäuse 14 eingeschlossen. Über lediglich schematisch dargestellte Pins 9 kann das Leistungshalbleitermodul 1 mit einer nicht dargestellten übergeordneten Platine verbunden werden.
2 zeigt einen Querschnitt durch das Leistungshalbleitermodul 1, bei dem der modulare Aufbau besonders deutlich sichtbar wird. Der modulare Aufbau des Leistungshalbleiterbauteils 1 ist deshalb besonders günstig, weil er den Einsatz von Standardbauteilen und etablierten Herstellungsverfahren erlaubt. So können sowohl das Leistungshalbleiterbauteil mit den Leistungshalbleiterchips 4 und dem Leistungssubstrat 2 als auch der Logikhalbleiterchip 6 auf herkömmliche Weise hergestellt werden. Es ist nicht nötig, bereits diese Bauteile auf den speziellen Einsatzzweck abzustimmen und beispielsweise für den Logikhalbleiterchip 6 einen Platz auf dem Leistungssubstrat 2 vorzusehen. Erst bei der Endmontage werden sie durch die Bonddrähte 11 und das Verbindungssubstrat 8 zu einem Leistungshalbleitermodul (1) verbunden.
Auf eine Anordnung des Logikhalbleiterchips 6 direkt auf dem Leistungssubstrat 2 wird also verzichtet. Auf diese Weise kann ein Leistungshalbleitermodul 1 bereitgestellt werden, dessen interne Gestaltung besonders flexibel möglich ist, da kein separater Platz für das Logikhalbleiterbauteil 6 auf dem Leistungssubstrat 2 reserviert werden muss.
Bezugszeichenliste

1: Leistungshalbleitermodul
2: Leistungssubstrat
3: Kupferschicht
4: Leistungshalbleiterchip
6: Logikhalbleiterchip
7: Kunststoffgehäuse
8: Verbindungssubstrat
9: Pins
10: Kontaktanschlussflächen
11: Bonddrähte
13: Außenkontakte
14: Kunststoffgehäuse

Claims

Leistungshalbleitermodul (1) mit einem oder mehreren auf einem Leistungssubstrat (2) angeordneten Leistungshalbleiterbauteilen und mit einem zur Steuerung der Leistungshalbleiterbauteile vorgesehenen, auf einem Verbindungssubstrat (8) angeordneten Logikhalbleiterchip (6), wobei der Logikhalbleiterchip (6) von einem Kunststoffgehäuse (7) zumindest teilweise umgeben und über Außenkontakte (13) mit dem Verbindungssubstrat (8) verbunden ist, wobei das Leistungssubstrat (2) und das Verbindungssubstrat (8) voneinander galvanisch getrennt sind und das Verbindungssubstrat (8) elektrisch über Bonddrähte (11) mit einem Durchmesser d mit d ≤ 1 mm und mechanisch nur über die Bonddrähte (11) und über ein weiteres Kunststoffgehäuse (14) mit dem Leistungssubstrat (2) verbunden ist, wobei das Verbindungssubstrat Pins (9) zur Verbindung des Leistungshalbleitermoduls (1) mit einer übergeordneten Platine aufweist.
Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bonddrähte (11) als Hauptbestandteil Aluminium aufweisen.
Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Leistungssubstrat (2) ein keramisches Substrat mit einer oder mehreren direkt auf das Substrat aufgebrachten Kupferschichten (3) (DCB-Substrat) vorgesehen ist.
Leistungshalbleitermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbindungssubstrat (8) ein Umverdrahtungssubstrat vorgesehen ist.
Verwendung eines Leistungshalbleitermoduls (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einem Schaltnetzteil.
Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls (1), das folgende Schritte umfasst: - Bereitstellen eines Leistungssubstrats (2) und eines oder mehrerer auf dem Leistungssubstrat (2) angeordneter Leistungshalbleiterbauteile; - Bereitstellen eines auf einem Verbindungssubstrat (8) angeordneten Logikhalbleiterchips (6) mit Kontaktanschlussflächen (10), wobei der Logikhalbleiterchip (6) von einem Kunststoffgehäuse (7) zumindest teilweise umgeben ist und über Außenkontakte (13) mit dem Verbindungssubstrat (8) verbunden ist, wobei das Verbindungssubstrat Pins (9) zur Verbindung des Leistungshalbleitermoduls (1) mit einer übergeordneten Platine aufweist; - Herstellen von elektrischen Verbindungen zwischen den auf dem Leistungssubstrat (1) angeordneten Leistungshalbleiterchips (4) und den Kontaktanschlussflächen (10) auf dem Verbindungssubstrat (8), wobei zur elektrischen Verbindung Bonddrähte (11) mit einem Durchmesser d mit d ≤ 1 mm verwendet werden; - Vergießen des Leistungshalbleitermoduls (1) unter Bildung eines weiteren Kunststoffgehäuses (14) mit einer Kunststoffmasse, so dass das Verbindungssubstrat (8) elektrisch über die Bonddrähte (11) und mechanisch nur über die Bonddrähte (11) und über das weitere Kunststoffgehäuse (14) mit dem Leistungssubstrat (2) verbunden ist.