DE102006014582A1 - Halbleitermodul - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleitermodul mit einem Stromverbindungselement (100), der für eine hohe Stromtragfähigkeit gestaltet ist. Dieses Stromverbindungselement (100) besteht aus mehreren direkt aufeinander liegenden Metalllagen (1, 2, 3) und weist einen am Moduläußeren (A) vorgesehenen äußeren Verbindungsabschnitt (111) und wenigstens einen modulinternen Kontaktabschnitt (101, 102, 103) auf zur Verbindung mit wenigstens einer Leiterbahn oder einem Schaltungsträger (130, 131) bzw. einem Chip (132) im Modulinneren (I). Zur Entkopplung der von außen einwirkenden mechanischen und der durch thermische Dehnung bewirkten Kräfte weist dieses Stromverbindungselement (100) zwischen dem äußeren Verbindungsabschnitt (111) und dem oder den modulinternen Kontaktabschnitt(en) (101, 102, 103) einen verformbaren Dehnungsbogen (D) auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Halbleitermodul mit mindestens einem Leistungshalbleiterbauelement und mindestens einem metallischen Stromverbindungselement, welches für einen Stromanschluss zum Äußeren des Halbleitermoduls und mit Schaltungsträgern und/oder Leiterbahnen im Inneren des Halbleitermoduls oder zur direkten Verbindung mit dem mindestens einen Leistungshalbleiterbauelement eingerichtet ist und das wenigstens einen im Betrieb des Halbleitermoduls verformbaren Dehnungsbogen aufweist, um einen oder mehrere modulinterne Kontaktabschnitt e) des Stromverbindungselements von auf das Halbleitermodul im Betrieb und/oder bei dessen Montage einwirkenden mechanischen Kräften zu entlasten.
  • Leistungshalbleiter sind üblicherweise in Modulen auf Schaltungsträgern mit Keramikisolation (DCB-Substrate, AMB-Substrate, o.ä.) aufgebaut. Verbindungselemente, die Stromanschlüsse zur Umgebung des Halbleitermoduls erlauben, sind modulintern mit den Schaltungsträgern oder direkt mit den Leistungshalbleitern verbunden. Außen am Modul werden diese Stromverbindungselemente z.B. verschraubt und müssen dabei und auch während des Betriebs mechanischen Kräften und Drehmomenten widerstehen. Sie sind dazu in Gehäusesegmenten befestigt. Die mechanischen Kräfte entstehen auch durch Temperaturwechsel und unterschiedliche Ausdehnung von verschiedenen Komponenten des Halbleitermoduls oder der leistungselektronischen Schaltung. Um die Schaltungsträger und Halbleiter im Halbleitermodul nicht zu schädigen, müssen die inneren Kontakte dieser Stromverbindungselemente von den Kräften entlastet werden.
  • Dafür werden heutzutage derartige Stromverbindungselemente mit Dehnungsbögen unterschiedlicher Form eingesetzt (vgl. z.B. DE 196 01 372 A1 ; EP 0 706 221 A2 ). Der Nachteil derartiger Dehnungsbögen ist, dass durch sie das Stromverbindungselement verlängert wird und zum Teil auch dessen Leiterquerschnitt verengt ist. Es muss deshalb bei einem solchen Stromverbindungselement ein Kompromiss aus Stromtragefähigkeit und Lebensdauer geschlossen werden. Die Stromtragefähigkeit solcher Stromverbindungselemente hängt entscheidend von ihrer Länge ab, weil solche Elemente im Halbleitermodul nur an den Enden eine Kühlung erfahren und auf dem Weg zur Außenseite des Halbleitermoduls von thermisch relativ gut isolierender Vergussmasse umgeben sind. Außerdem werden durch die Dehnungsbögen die Streuinduktivitäten der Halbleitermodule erhöht.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Halbleitermodul anzugeben, dessen Stromverbindungselemente mit großem Leiterquerschnitt bis zur Substratebene geführt werden können und die die bei der Montage und im Betrieb des Halbleitermoduls auftretenden Kräfte noch wirksamer als bisher unter gleichzeitiger Verringerung von Streuinduktivitäten reduzieren können.
  • Der Grundgedanke der Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe besteht darin, das Stromverbindungselement als mehrlagiges Band bereitzustellen und dessen Form und Größe zum einen zur Realisierung der geforderten Stromtragefähigkeit und zum anderen mit dem erforderlichen Dehnungsbogen zu gestalten.
  • Gemäß einem wesentlichen Aspekt wird demnach die obige Aufgabe gelöst durch ein Halbleitermodul mit mindestens einem Leistungshalbleiterbauelement und mindestens einem metallischen Stromverbindungselement, welches für einen Stromanschluss zum Äußeren des Halbleitermoduls und mit Schaltungs trägern und/oder Leiterbahnen im Inneren des Halbleitermoduls oder zur direkten Verbindung mit dem mindestens einen Leistungshalbleiterbauelement eingerichtet ist und das wenigstens einen im Betrieb des Halbleitermoduls verformbaren Dehnungsbogen aufweist, um einen oder mehrere modulinterne Kontaktabschnitt e) des Stromverbindungselements von auf das Halbleitermodul im Betrieb und/oder bei dessen Montage einwirkenden mechanischen Kräften zu entlasten, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromverbindungselement als mehrlagiges Metallband ausgeführt ist, dessen Metalllagen wenigstens über einen Teil seiner Länge von einem zum Äußeren des Halbleitermoduls führenden äußeren Verbindungsabschnitt bis zu seinem bzw. seinen. modulinternen Kontaktabschnitt(en) entweder direkt oder über eine metallische Zwischenlage aufeinander liegen und elektrisch miteinander in Verbindung stehen.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegen die Metalllagen des Stromverbindungselements über dessen gesamte Länge direkt aufeinander.
  • Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel liegen die Metalllagen des Stromverbindungselements wenigstens an seinem äußerem Verbindungsabschnitt direkt aufeinander.
  • Des Weiteren kann bei einem besonderen Ausführungsbeispiel das Stromverbindungselement zwischen dem äußeren Verbindungsabschnitt und dem oder den modulinternen Kontaktabschnitten wenigstens einen relativ zur Ebene des äußeren Verbindungsabschnitts oder zur Ebene des bzw. der modulinternen Kontaktabschnitts bzw. -abschnitte abgewinkelten oder abgebogenen mittleren Abschnitt aufweisen, der den Dehnungsbogen definiert. Zum Beispiel können bei einem derart gestalteten Stromverbindungselement die Ebenen des jeweils äußeren Verbindungsabschnitts und des oder der modulinternen Kontaktab schnitts bzw. -abschnitte zueinander parallel liegen, und der wenigstens eine mittlere Abschnitt kann einen bestimmten Winkel z.B. annähernd 90° dazu einnehmen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausbildungsform können die Metalllagen des Stromverbindungselements dort, wo sie bei Krafteinwirkung von außen oder durch thermische Ausdehnung nicht aufeinander gleiten müssen, z.B. durch Nieten, Schweißpunkte, Pressverbindung miteinander mechanisch und elektrisch verbunden sein.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Stromverbindungselement ist die Anzahl der Metalllagen wenigstens durch die zu übertragenden Kräfte bestimmt. So sinken die übertragenen Kräfte um einen durch die Anzahl der Bänder bestimmten Faktor (= Dickenreduktion pro Band) theoretisch mit der dritten Potenz. Da eventuell aber Zwischenverbindungen notwendig sind, sinken die übertragenen Kräfte mindestens um den Faktor 4.
  • Bei einer vorteilhaften Konstruktion der modulinternen Kontaktabschnitte des erfindungsgemäßen Stromverbindungselements bilden diese internen Kontaktabschnitte bzw. der interne Kontaktabschnitt mehrere Füße, welche zur Kontaktierung mit den Schaltungsträgern und/oder Leiterbahnen des Halbleitermoduls eingerichtet sind.
  • Vorteilhafterweise sieht die Konstruktion des Stromverbindungselements vor, dass dessen Metalllagen am äußeren Verbindungsabschnitt zu einem stoffschlüssigen Metallpaket verbunden, z.B. zusammengeschweißt und modulintern in mehrere Lagen aufgeteilt sind. Im Inneren des Halbleitermoduls können diese aufgeteilten Lagen auch separat voneinander, d.h. unverbunden sein.
  • Vorteilhafterweise bestehen die Metalllagen des Stromverbindungselements aus einem Metall oder einer Metalllegierung mit einer elektrischen Leitfähigkeit größer als 0,15 der Leitfähigkeit von Kupfer, z.B. aus Kupfer oder aus Kupferlegierung.
  • Diese Metalllagen können auch oberflächenbeschichtet sein, z.B. mit Sn, Ni, Ag.
  • Die obigen und weitere vorteilhafte Merkmale eines erfindungsgemäßen Halbleitermoduls werden nachstehend in verschiedenen Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert.
  • Die Zeichnungsfiguren zeigen im Einzelnen:
  • 1A, 1B und 1C Halbleitermodule unterschiedlicher Konstruktion mit verschiedenen im Stand der Technik üblichen Stromverbindungselementen;
  • 2 perspektivisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines in einem erfindungsgemäßen Halbleitermodul einsetzbaren Stromverbindungselements;
  • 3 perspektivisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines in einem erfindungsgemäßen Halbleitermodul einsetzbaren Stromverbindungselements;
  • 4 perspektivisch ein drittes Ausführungsbeispiel eines Stromverbindungselements, welches in einem erfindungsgemäßen Halbleitermodul einsetzbar ist;
  • 5 perspektivisch ein viertes Ausführungsbeispiel eines in einem erfindungsgemäßen Halbleitermodul einsetzbaren Stromverbindungselements;
  • 6A eine Variante des in 5 gezeigten Stromverbindungselements, welches aus fünf Metalllagen besteht;
  • 6B ein Schaltbild von durch ein erfindungsgemäßes Stromverbindungselement, z.B. gemäß 5 nach außerhalb eines Halbleitermoduls verbundenen Leistungshalbleiterbauelementen;
  • 7A, 7B und 7C Schritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Stromverbindungselements z.B. gemäß 3;
  • 8A, 8B und 8C perspektivisch Ausführungsbeispiele von zwei Stromverbindungselementen, die erfindungsgemäß so gestaltet sind, dass sie ineinander geschachtelt werden können, um auf diese Weise einen Raum sparenden und Induktivität reduzierenden Stromanschluss von Leistungshalbleiterbauelementen eines Halbleitermoduls gemäß der Erfindung zu ermöglichen;
  • 9A perspektivisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß gestalteten Stromverbindungselements, dessen Metalllagen an bestimmten Abschnitten miteinander verbunden sind;
  • 9B ein Vergleichsbeispiel zu 9A, welches ein Stromverbindungselement zeigt, das zwar aus mehreren Metalllagen besteht, dessen Metalllagen jedoch an einem Abschnitt miteinander verbunden sind, wo sie bei Krafteinwirkung von außen oder durch thermische Ausdehnung aufeinander gleiten müssen;
  • 10A und 10B zwei weitere alternative Ausführungsbeispiele von bei einem erfindungsgemäßen Halbleitermodul einsetzbaren Stromverbindungselementen und zwar mit einer Verschraubung am äußeren Verbindungsabschnitt der Stromverbindungselemente mit einer Busanschlussschiene.
  • Bevor nachstehend verschiedene Ausführungsbeispiele von Stromverbindungselementen für ein erfindungsgemäßes Halbleitermodul beschrieben werden, werden zunächst übliche Konstruktionen von Stromverbindungselementen für Halbleitermodule mit mindestens einem Leistungshalbleiterbauelement erläutert. Ein Halbleitermodul ist schematisch durch ein Substrat oder einen Träger 70 angedeutet. Im oder auf dem Substrat bzw. Träger 70 befinden sich Anschlusspads von Leistungshalbleiterbauelementen 10, 20, welche ihrerseits durch Bonddrähte mit einer Leiterbahn 30 verbunden sind. Modulintern, d.h. im Inneren I des Moduls ist ein Stromverbindungselement 40 an einem modulinternen Kontaktabschnitt 42 mit der Leiterbahn 30 kontaktiert. Das in 1A gezeigte Stromverbindungselement 40 weist einen Abschnitt mit einem verformbaren Dehnungsbogen D auf, um den internen Kontaktabschnitt 42 des Stromverbindungselements 40 von auf das Halbleitermodul im Betrieb und/oder bei dessen Montage einwirkenden mechanischen Kräften zu entlasten. Zum Beispiel können auf einem Verbindungsabschnitt 41, welcher als eine Stromverbindung zum Äußeren A des Halbleitermoduls dient, Kräfte einwirken, deren Richtungen durch die Pfeile A1, A2 und A3 angedeutet sind. Derartige äußere Kräfte, wie sie z.B. bei der Montage des Halbleitermoduls einwirken, sollen durch den verformbaren Dehnungsbogen D absorbiert oder zumindest abgeschwächt werden. Mechanische Kräfte entstehen aber auch durch Temperaturwechsel und unterschiedliche Ausdehnung von verschiedenen Komponenten des Halbleitermoduls oder der darin befindlichen Leistungselektronik.
  • 1B zeigt eine andere von der Konstruktion der 1A abweichende Gestaltung eines Stromverbindungselements 50 mit modulinternen Kontaktabschnitten 52, 53, die gemeinsam zwei auf einer Trägerplatte oder einem Substrat 70 befindliche Leiterbahnen 30 und 31 miteinander und durch einen äußeren Verbindungsabschnitt 51 des Stromverbindungselements 50 zum Äußeren A des Halbleitermoduls verbinden. Ein Dehnungsbogen D soll dazu dienen, die durch die Richtungspfeile A1, A2 und A3 angedeuteten Kräfte zu kompensieren und dadurch die modulinternen Kontaktabschnitte des Stromverbindungselements 50 von diesen Kräften zu entlasten.
  • Schließlich zeigt 1C eine dritte Konstruktion eines üblichen Stromverbindungselements 60, welches einen mit einer Leiterbahn 30 eines Halbleitermoduls 70 verbundenen modulinternen Kontaktabschnitt 62, einen äußeren an einem Gehäusesegment 71 des Moduls 70 befestigten oder befestigbaren Verbindungsabschnitt 61 sowie zwischen dem äußeren Verbindungsabschnitt 61 und dem modulinternen Kontaktabschnitt 62 einen verformbaren Dehnungsbogen D aufweist.
  • Der Nachteil der zuvor anhand den 1A, 1B und 1C erläuterten herkömmlichen Stromverbindungselemente ist, dass durch ihre Dehnungsbögen D eine Verlängerung des jeweiligen Stromverbindungselements 40, 50, 60 einhergeht. Außerdem können, wie bei dem Stromverbindungselement 50 gemäß 1B Verengungen der Leiterquerschnitte auftreten.
  • Die Stromtragefähigkeit derartiger Stromverbindungselemente hängt entscheidend von ihrer Länge ab, weil sie im Halbleitermodul nur an ihren Enden eine Kühlung erfahren und auf dem Weg zur Modulaußenseite A von thermisch relativ gut isolierender Vergussmass (Silikongel) umgeben sind. Durch eine erhöhte Länge der Stromverbindungselemente und durch ihre Dehnungsbögen werden außerdem die Streuinduktivitäten der Halbleitermodul erhöht.
  • Um Stromverbindungselemente mit großem Leiterquerschnitt bis zur Substratebene des Halbleitermoduls bereitzustellen, und die übertragenen Kräfte deutlich zu reduzieren, besteht das Prinzip der Erfindung darin, ein Stromverbindungselement in Bandform bereitzustellen und die für die Stromtragfähigkeit notwendige Dicke durch mehrere Metalllagen zu realisieren.
  • Ein erstes Ausführungsbeispiel eines bei einem erfindungsgemäßen Halbleitermodul einsetzbaren Stromverbindungselements 100 ist in perspektivischer Darstellung in 2 gezeigt. Dieses Stromverbindungselement 100 besteht aus mehreren Metalllagen 1, 2, 3, ... n, die zu einem einzigen etwa S-förmigen Element verbunden oder zusammengesetzt sind. Das Stromverbindungselement 100 weist einen modulinternen Kontaktabschnitt 110 zur Verbindung mit (nicht gezeigten) Schaltungsträgern und/oder Leiterbahnen im Inneren I des gleichfalls nicht gezeigten Halbleitermoduls oder auch zu einer direkten Verbindung mit einem (nicht gezeigten) Leistungshalbleiterbauelement, einen äußeren Verbindungsabschnitt 111 zur Verbindung zum Äußeren A des Halbleitermoduls und zwischen dem äußeren Verbindungsabschnitt 111 und dem modulinternen Kontaktabschnitt 110 abgebogene oder abgewinkelte mittlere Abschnitte 107, 108 und 109 auf, welche einen verformbaren Dehnungsbogen D bilden, der dazu dient, den modulinternen Kontaktabschnitt 110 von auf das Halbleitermodul im Betrieb und/oder bei dessen Montage einwirkenden mechanischen Kräften zu entlasten. Zu diesen mechanischen Kräften tragen auch durch Temperaturänderungen bewirkte mechanische Spannungen bei. Die Richtungen der durch den verformbaren Dehnungsbogen zu kompensierenden Kräfte sind durch die beiden Pfeile a1 und a2 angedeutet.
  • Während die Form des Stromverbindungselements gemäß 2 etwa S-förmig ist, hat das Stromverbindungselement gemäß 3 Treppenform, und sein modulinterner Kontaktabschnitt 110, welcher direkt mit einer Leiterbahn 130 oder mit einem Schaltungsträger oder mit einer Elektrode eines Leistungshalbleiterbauelements verbunden ist, ist zweigeteilt. Die beiden in den 2 und 3 dargestellten erfindungsgemäßen Stromverbindungselemente zeichnen sich dadurch aus, dass ihre einzelnen Metalllagen 1, 2, 3, ..., n über ihre gesamte Länge direkt aneinander liegen und dass der Dehnungsbogen D relativ wenige z.B. rechtwinklig zueinander abgewinkelte Abschnitte aufweist. Die Dicke der einzelnen Metalllagen bzw. die Gesamtdicke der Stromverbindungselemente 100 gemäß den 2 und 3 ist für eine ausreichende Stromtragefähigkeit gewählt. Dies gilt ebenso für die Anzahl der einzelnen Metalllagen. Die Dicke der Stromverbindungselemente 100 beträgt insgesamt z.B. 2 mm oder 3 mm.
  • Auch bei dem in 4 perspektivisch dargestellten dritten Ausführungsbeispiel ist das Stromverbindungselement 100 auf mehrere Metalllagen 1, 2, 3 aufgeteilt. Am äußeren Verbindungsabschnitt 111 sind die Metalllagen 1, 2, 3 zu einem gemeinsamen Sammelbereich übereinander gestapelt und werden zur Verbindung mit einem (nicht gezeigten Gerät) z.B. durch eine (nicht gezeigte) Schraube alle gemeinsam kontaktiert. Im In neren I trennen sich die Metalllagen 1, 2, 3 des Stromverbindungselements 100 in die modulinternen Kontaktabschnitte 101, 102, 103 zur Kontaktierung mit Leiterbahnen oder Elektroden 130, 131, d.h. jede Metalllage 1, 2, 3 hat andere interne Kontaktabschnitte 101, 102, 103, so dass die Dicke jedes modulinternen Kontaktabschnitts 101, 102, 103 der Dicke einer einzelnen Metalllage 1, 2, 3 entspricht. Dadurch wird auch ein Chip 132 oder eine Leiterbahn 130, 131 oder ein (nicht gezeigtes) Substrat im Inneren des Halbleitermoduls nur durch dünne Metallfüße 101, 102, 103 verbunden, so dass die durch die thermische Ausdehnung bewirkte Spannung vermindert ist. Die Füße bzw. modulinternen Kontaktabschnitte 101, 102, 103 können unterschiedliche Größe haben.
  • Das in 5 perspektivisch gezeigte vierte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß gestalteten Stromverbindungselements 100 zeichnet sich dadurch aus, dass zwei einzelne Metalllagen 1, 2 im Außenbereich des Halbleitermoduls zusammengeführt und innen aufgeteilt weitergeführt sind. Dadurch werden die Landepunkte, d.h. die modulinternen Kontaktabschnitte 101, 102 optional durch Streuinduktivitäten dynamisch etwas entkoppelt. Dies kann für die Vermeidung parasitärer Resonanzen von Vorteil sein. Die modulinternen Kontaktabschnitte 101 sind im Modulinneren 2 mit einem ersten Substrat oder einer ersten Leiterbahn 131 und die modulinternen Kontaktabschnitte 102 im Inneren I des Moduls mit einem zweiten Substrat oder einer zweiten Leiterbahn 130 kontaktiert. Die mittleren Abschnitte 107, 108 und 109 jeder einzelnen Metalllage 1, 2 bilden auch hier verformbare Dehnungsbögen D, die jedoch jeder für sich verformbar sind.
  • Das in 6A gezeigte fünfte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stromverbindungselements 100 ist ähnlich wie das Stromverbindungselement 100 gemäß 5 gestaltet, je doch kontaktieren fünf einzelne Metalllagen 1, 2, 3, 4, 5 im Inneren des (nicht gezeigten) Moduls verschiedene Substrate oder Chips E1, E2, E3, E4, E5, so dass die elektrische Kopplung der Substrate bzw. Chips über verschiedene Metalllagen entsteht und sowohl Kopplungsinduktivitäten und/oder Kopplungswiderstände entstehen, die die Parallelschaltung der kontaktierten Chips oder Substratabschnitte verbessern. Dadurch werden parasitäre Resonanzen vermieden und die statische Stromaufteilung durch Widerstände verbessert, wie dies in dem Ersatzschaltbild der 6B veranschaulicht ist. Darin symbolisieren die Transistoren T1 und T2 jeweils ein Leistungshalbleiterbauelement und die Widerstände R1 und R2 geben einzelne Metalllagen z.B. 1 und 2 des Stromverbindungselements 100 gemäß 6A an.
  • Die 7A, 7B und 7C veranschaulichen beispielhafte Schritte zur Herstellung eines aus zwei Metalllagen bestehenden erfindungsgemäßen Stromverbindungselements 100. Zunächst wird gemäß 7A ein Metallband in der dargestellten Form ausgestanzt, welches abgesehen von den modulinternen Kontaktabschnitten 101 der rechten Bandhälfte 1 und den modulinternen Kontaktabschnitten 102 des linken Bandabschnitts 2 spiegelsymmetrisch zu der strichpunktiert eingezeichneten Symmetrielinie ist. Danach wird dieses Metallband gemäß 7B an der Symmetrielinie zusammengefaltet (Biegeschritt B1) und schließlich gemäß 7C durch einen Biegeschritt B2 in ein mehrfach abgebogenes zweilagiges Stromverbindungselement 100 strukturiert.
  • Die 8A, 8B und 8C zeigen schematisch, wie zwei erfindungsgemäß gestaltete Stromverbindungselemente 100a und 100b zur Verringerung der Induktivität zwischen zwei Polen (z.B. zwischen zwei Elektroden eines Leistungshalbleiterbauelements oder zwischen Plus- und Minuspolen einer Halbbrücke) ineinan der geschachtelt und an bestimmten Punkten V1, V2 miteinander verschweißt, vernietet oder verpresst werden können (8C). Mit der letztgenannten Maßnahme kann der Stapel der Metalllagen und auch die ineinander geschachtelten Stromverbindungselemente 100a, 100b als ein Teil gehandhabt werden.
  • Gemäß 9A sind die Metalllagen eines erfindungsgemäß gestalteten Stromverbindungselements 100 an bestimmten Verbindungsstellen V1, V2, V3 untereinander verbunden, z.B. durch Nieten, Punktschweißen oder Verpressen. Die Verbindungsstellen V1, V2, V3 werden dort platziert, wo bei Krafteinwirkung von außen oder durch thermische Ausdehnung kein Gleiten der Metalllagen des Stromverbindungselements 100 aufeinander notwendig ist (Totpunkte). In den den verformbaren Dehnungsbogen D bildenden Zwischenabschnitten weisen die Metalllagen des Stromverbindungselements 100 gemäß 9A Abstände 11, 12 auf. 9B veranschaulicht, dass eine im Bereich des Dehnungsbogens D angebrachte Verbindungsstelle Vx den gewünschten Zweck nicht erfüllt und deshalb so nicht angewendet werden sollte.
  • Bei allen zuvor anhand der 2–9A erläuterten Ausführungsbeispielen können die modulinternen Kontaktabschnitte des Stromverbindungselements oder der Stromverbindungselemente 100, 100a, 100b mehrere Füße 101, 102, 103, 110 bilden, die zur Kontaktierung mit den Schaltungsträgern und/oder Leiterbahnen und/oder Leistungshalbleiterelektroden eingerichtet sind. Die einzelnen Füße können im Modulinneren aufgelötet, mit Ultraschall geschweißt oder mit Laser geschweißt sein. Vorteilhaft ist, wenn die einzelnen Füße mindestens 1 mm von der Kante einer Leiterbahn auf dem Substrat mit dem Metall, z.B. einer Cu-Leiterbahn, die mittels DCB-Verfahren auf Keramik aufgebracht ist, verbunden sind. Die einzelnen Füße kön nen auch mit vernickelten, vergoldeten oder versilberten Kupferbahnen verbunden sein.
  • Die einzelnen Metalllagen 1, 2, 3, ..., n der zuvor erläuterten erfindungsgemäß gestalteten Stromverbindungselemente 100, 100a, 100b bestehen vorteilhafterweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit z.B. größer als 0,15 der Leitfähigkeit von Kupfer, wie z.B. Al, Cu, Ag oder einer Legierung derselben. Bevorzugt wird für die Metalllagen Kupfer eingesetzt. Optional können die Metalllagen der erfindungsgemäßen Stromverbindungselemente oberflächenbeschichtet sein, z.B. mit Sn, Ni, Ag.
  • Theoretisch sinken die durch ein erfindungsgemäßes Stromverbindungselement übertragenen Kräfte um einen Faktor, der durch die Anzahl der Bänder bestimmt ist (= Dickenreduktion pro Band), z.B. mit der dritten Potenz. Da eventuell aber Zwischenverbindungen notwendig sind, sinken diese übertragenen Kräfte mindestens um den Faktor 4.
  • Die 10A und 10B zeigen verschiedenartige Positionen äußerer Verbindungsabschnitte von Verbindungselementen an einem Gehäuse oder einem Deckel 300 eines erfindungsgemäßen Halbleitermoduls. Gemäß 10A sind zwei Metalllagen oder -bänder eines Stromverbindungselements 100 unter Zwischenlage einer Anschluss- oder Busschiene 200 durch eine Schraube Sch im Äußeren A des Gehäuses 300 elektrisch miteinander verbunden und mechanisch am Gehäuse 300 fixiert. Dadurch wird die Kontaktfläche verdoppelt. Gemäß 10B können zwei Metalllagen eines erfindungsgemäßen Stromverbindungselements 100 im Außenbereich A des Gehäuses 300 auf zwei Schraubkontakte Sch1 und Sch2 aufgespalten und dadurch mit einer gemeinsamen Anschluss- oder Busschiene 200 elektrisch oder mechanisch verbunden werden.
    • 1, 2, 3, ..., n
    Metalllagen des Stromverbindungselements
    10, 20, 30, 130, 131
    Leiterbahnen, Schaltungsträger, Leistungshalbleiter
    40, 50, 60, 100, 100a, 100b
    Stromverbindungselement
    41, 51, 61, 111
    äußerer Verbindungsabschnitt des Stromverbindungselements
    42, 52, 53, 62, 101, 102, 103, 110
    modulinterner Kontaktabschnitt des Stromverbindungselements
    107, 108, 109
    Zwischenabschnitte des Stromverbindungselements
    D
    verformbarer Dehnungsbogen
    A
    Äußeres des Halbleitermoduls
    I
    Inneres des Halbleitermoduls
    a1, a2, a3
    Kraft- und Verformungsrichtungen
    t1, t2
    Leistungshalbleiterbauelement
    E1, E2, E3, E4, E5
    verschiedene Elektroden, Chip, Substrat, Parallelschaltung
    R1, R2
    Widerstände
    B1, B2
    Biegeschritte
    V1, V2, V3, Vx
    Verbindungsstellen
    Sch, Sch1, Sch2
    Schrauben
    200
    Anschlussschiene oder Busschiene
    70
    Träger/Substrat
    300
    Modulgehäuse

Claims (11)

  1. Halbleitermodul mit mindestens einem Leistungshalbleiterbauelement und mindestens einem metallischen Stromverbindungselement (100; 100a, 100b), welches für einen Stromanschluss zum Äußeren (A) des Halbleitermoduls und mit Schaltungsträgern (130, 131) und/oder Leiterbahnen im Inneren des Halbleitermoduls oder zur direkten Verbindung mit dem mindestens einen Leistungshalbleiterbauelement eingerichtet ist und das wenigstens einen im Betrieb des Halbleitermoduls verformbaren Dehnungsbogen (D) aufweist, um einen oder mehrere modulinterne Kontaktabschnitt e) des Stromverbindungselements von auf das Halbleitermodul im Betrieb und/oder bei dessen Montage einwirkenden mechanischen Kräften zu entlasten, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromverbindungselement (100, 100a, 100b) als mehrlagiges Metallband ausgeführt ist, dessen Metalllagen (1, 2, 3, ..., n) wenigstens über einen Teil seiner Länge von einem zum Äußeren (A) des Halbleitermoduls führenden äußeren Verbindungsabschnitt (111) bis zu seinem bzw. seinen modulinternen Kontaktabschnitt(en) (101, 102, 103; 110) entweder direkt oder über eine metallische Zwischenlage aufeinander liegen und elektrisch miteinander in Verbindung stehen.
  2. Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllagen (1, 2, 3, ..., n) des Stromverbindungselements (100) über seine gesamte Länge direkt aufeinander liegen.
  3. Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllagen (1, 2, 3, ..., n) des Stromverbindungselements (100) wenigstens an dem äußeren Verbindungsabschnitt (111) direkt aufeinander liegen.
  4. Halbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromverbindungselement (100) zwischen seinem äußeren Verbindungsanschluss (111) und seinem oder seinen modulinternen Kontaktabschnitt(en) (101, 102, 103; 110) wenigstens einen relativ zur Ebene des äußeren Verbindungsabschnitts (111) und zur Ebene des bzw. der modulinternen Kontaktabschnitts bzw. Kontaktabschnitte (101, 102, 103; 110) abgebogenen oder abgewinkelten mittleren Abschnitt (108, 109) aufweist, der den Dehnungsbogen (D) definiert.
  5. Halbleitermodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebene des äußeren Verbindungsabschnitts (111) und die des bzw. der modulinternen Kontaktabschnitts bzw. -abschnitte (101, 102, 103; 110) zueinander parallel liegen und der wenigstens eine mittlere Abschnitt (108, 109) einen Winkel von annähernd 90° dazu einnimmt.
  6. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllagen (1, 2, 3, ..., n) des Stromverbindungselements (100) dort, wo sie bei Krafteinwirkung von außen oder durch thermische Ausdehnung nicht aufeinander gleiten müssen, z.B. durch Nieten, Schweißpunkte, Pressverbindung miteinander mechanisch und elektrisch verbunden sind.
  7. Halbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Metalllagen (1, 2, 3, ..., n) des Stromverbindungselements wenigstens durch die zu übertragenden Kräfte bestimmt ist.
  8. Halbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die modulintern(en) Kontaktabschnitt bzw. -abschnitte (101, 102, 103; 110) des Stromverbindungselements (100) mehrere Füße (101, 102, 103; 110) bildet bzw. bilden, die zur Kontaktierung mit den Schaltungsträgern und/oder Leiterbahnen (130, 131) eingerichtet sind.
  9. Halbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Metalllagen (1, 2, 3, ..., n) des Stromverbindungselements (100) an dem äußeren Verbindungsabschnitt (111) zu einem stoffschlüssigen Metallpaket verbunden, z.B. verschweißt und modulintern in mehrere Lagen aufgeteilt sind.
  10. Halbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllagen (1, 2, 3, ..., n) des Stromverbindungselements (100) aus einem Metall oder einer Metalllegierung mit einer elektrischen Leitfähigkeit von größer 0,15 der Leitfähigkeit von Kupfer, z.B. aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen.
  11. Halbleitermodul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllagen (1, 2, 3, ..., n) mit einem Oberflächenveredelungsmetall (z.B. Sn, Ni, Ag) oberflächenbeschichtet sind.
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