DE102006037118B3 - Halbleiterschaltmodul für Bordnetze mit mehreren Halbleiterchips, Verwendung eines solchen Halbleiterschaltmoduls und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

Halbleiterschaltmodul für Bordnetze mit mehreren Halbleiterchips, Verwendung eines solchen Halbleiterschaltmoduls und Verfahren zur Herstellung desselben Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterschaltmodul (21) für Bordnetze mit mehreren Halbleiterchips (22) und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Das Halbleiterschaltmodul (21) weist mindestens eine Halbbrückenschaltung (23) mit einem ersten Halbleind einem zweiten Halbleiterschaltungschip (25) als HSS (High Side Switch) auf einer gemeinsamen Schaltungsstruktur (6) auf. Die Schaltungsstruktur (6) umfasst Kontaktanschlussflächen (12, 13) auf der Oberseite (11) der Schaltungsstruktur und Flachleiteranschlüsse (7) mit Außenkontaktflächen (8) auf der Unterseite (10) der Schaltungsstruktur (6) und mit Innenkontaktflächen (9) auf der Oberseite (11) der Schaltungsstruktur (6). Dabei ist mindestens einer der Halbleiterschaltungschips (24, 25) in Flipchip-Technik auf Kontaktanschlussflächen (12, 13) der Schaltungsstruktur (6) angeordnet und über Diffusionslotschichten (14) mit diesen elektrisch und stoffschlüssig verbunden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Halbleiterschaltmodul für Bordnetze mit mehreren Halbleiterchips. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Halbleiterschaltmoduls. Das Halbleiterschaltmodul soll mindestens eine Halbbrückenschaltung mit einem ersten Halbleiterschaltungschip als LSS (Low Side Switch) und einem zweiten Halbleiterschaltungschip als HSS (High Side Switch) auf einer gemeinsamen Schaltungsstruktur verwirklichen. Dazu weist die Schaltungsstruktur Flachleiteranschlüsse mit Außenkontaktflächen auf der Unterseite der Schaltungsstruktur und Innenkontaktflächen auf der Oberseite der Schaltungsstruktur sowie mit Kontaktanschlussflächen auf der Oberseite der Schaltungsstruktur auf.
  • Das Halbleiterschaltmodul bildet somit ein Multi-Chip-Modul für "Motor-Brücken". Derartige MCM-Module basieren auf einer DCB-Technik (Direct-Copper-Bonding), bei der mehrere Halbleiterschaltungschips nebeneinander pastengelötet und mittels Bonddrähten kontaktiert werden. Ein derartiger Pastenlot-Bondprozess kann nur eingesetzt werden, wenn die Halbleiterschaltungschips in einer so genannten "Drain-Down-Montage" auf einer Schaltungsstruktur angeordnet werden. Bei dieser "Drain-Down-Montage" wird mit Hilfe des Pastenlots ein großflächiger Außenkontakt des Halbleiterschaltungschips, der die gesamte Rückseite des Halbleiterschaltungschips bedeckt, mit einer entsprechend großen Kontaktanschlussfläche der Schaltungsstruktur elektrisch verbunden.
  • Weist der Halbleiterschaltungschip mehrere auch kleinflächige Elektroden auf, die mittels einer Oberflächenmontage auf einer entsprechenden Kontaktanschlussfläche der Schaltungsstruktur angeordnet werden sollen, wie es bei einer so genannten Flipchip-Technik erforderlich ist, so versagt der Pastenlotbondprozess, da Kurzschlüsse zwischen den nebeneinander oberflächenmontierten kleinflächigen und großflächigen Elektroden des Halbleiterschaltungschips auftreten können.
  • Somit ist die Zuverlässigkeit von Multichipmodulen, die mit dem Pastenlot-Bondprozess hergestellt werden, nur gegeben, wenn die Halbleiterschaltungschips mit ihren großflächigen Drainelektroden auf einzelnen voneinander isolierten Kontaktanschlussflächen montiert werden. Ein solches Multichipmodul ist aus der DE 10 2005 007 373 A1 bekannt. Knotenpunkte einer Halbbrückenschaltung müssen dabeit nachteilig über entsprechend dicke Bondband und/oder Bonddrahtverbindungen hergestellt werden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Halbleiterschaltmodul für die Applikation "Motor-Brücken" zu optimieren und die Zuverlässigkeit einer derartigen Motor-Brücken-Schaltung sicherzustellen. Dabei soll gleichzeitig die Schaltungsstruktur vereinfacht werden und die Anzahl der Hochstrom führenden Bondverbindungen minimiert werden.
  • Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1, der Verwendung nach Anspruch 19 und des Verfahrens des Anspruchs 20 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Erfindungsgemäß wird ein Halbleiterschaltmodul für Bordnetze mit mehreren Halbleiterchips und ein Verfahren zur Herstel lung desselben geschaffen. Das Halbleiterschaltmodul weist mindestens eine Halbbrückenschaltung mit einem ersten Halbleiterschaltungschip als LSS (Low Side Switch) und einem zweiten Halbleiterschaltungschip als HSS (High Side Switch) auf einer gemeinsamen Schaltungsstruktur auf. Die Schaltungsstruktur umfasst Kontaktanschlussflächen auf der Oberseite der Schaltungsstruktur und Flachleiteranschlüsse mit Außenkontaktflächen auf der Unterseite der Schaltungsstruktur und mit Innenkontaktflächen auf der Oberseite der Schaltungsstruktur. Dabei ist mindestens einer der Halbleiterschaltungschips in Flipchip-Technik auf Kontaktanschlussflächen der Schaltungsstruktur angeordnet und über Diffusionslotschichten mit diesen elektrisch und stoffschlüssig verbunden.
  • Ein derartiges Halbleiterschaltmodul hat den Vorteil, dass nicht nur großflächige Rückseitenkontakte der Halbleiterschaltungschips auf getrennten Anschlusskontaktflächen eines Schaltungsträgers elektrisch verbunden und fixiert werden können, sondern dass es nun auch möglich ist, Knotenpunkte einer Halbbrücken- oder Brückenschaltung über eine gemeinsame großflächige Kontaktanschlussfläche eines Schaltungsträgers zu verbinden, indem eine großflächige Drainelektrode eines ersten Halbleiterleistungschips in Drain-Down-Technik auf einer gemeinsamen Kontaktanschlussfläche mit einer großflächigen Sourceelektrode eines Halbleiterschaltungschips in Flipchip-Technik miteinander verbunden werden können.
  • Dabei kann die großflächige Kontaktanschlussfläche durch eine entsprechend dicke Metallplatte verwirklicht werden, so dass hohe Schaltströme den Knotenpunkt passieren können, ohne dass entsprechende Bondverbindungen aufzubauen sind. Durch die Diffusionslotschichten wird gleichzeitig gewährleistet, dass eine kleinflächige Gateelektrode des in Flipchip-Technik angeordneten zweiten Halbleiterschaltungschips auf einer von der großflächigen Kontaktanschlussfläche elektrisch getrennten und isolierten kleinflächigen Kontaktanschlussfläche des Schaltungsträgers über die eine Diffusionslotschicht verbunden werden kann, ohne dass durch die Verbindungstechnik die Gefahr von Kurzschlüssen zwischen der kleinflächigen Elektrode und der großflächigen Elektrode des in Flipchip-Technik angeordneten zweiten Halbleiterschaltungschips auftreten. Somit wird ein zuverlässiges Halbleiterschaltmodul in Form einer Halbbrückenschaltung für Motoransteuerungen in Bordnetzen verwirklicht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der erste und der zweite Halbleiterschaltungschip Leistungshalbleiterbauelemente des MOSFET-Typs. Diese Leistungshalbleiterbauelemente weisen auf ihren Rückseiten großflächige oberflächenmontierbare Drainelektroden und auf ihren Oberseiten oberflächenmontierbare Elektroden mit einer großflächige Sourceelektrode und einer kleinflächigen Gateelektrode auf. Unter großflächig wird in diesem Zusammenhang eine Elektrode verstanden, die nahezu die gesamte Oberseite bzw. Rückseite eines Halbleiterschaltungschips bedeckt. Unter kleinflächig wird dagegen eine Elektrode verstanden, die nur einen geringen Bereich der Oberseite bzw. der Rückseite eines Leistungshalbleiterchips beansprucht wie beispielsweise eine Steuer- oder Gateelektrode eines Leistungshalbleiterbauelements.
  • Zur Verwirklichung einer Halbbrückenschaltung weist die Schaltungsstruktur des Halbleiterschaltmoduls mindestens zwei Kontaktanschlussflächen auf, wobei eine großflächige Kontaktanschlussfläche eine Drainelektrode des ersten Halbleiterschaltungschips und eine Sourceelektrode des zweiten Halbleiterschaltungschips aufnimmt und elektrisch zu einem Knotenpunkt verbindet, und wobei eine kleinflächige Kontaktanschlussfläche mit einer Gateelektrode des zweiten Halbleiterschaltungschips elektrisch verbunden ist und von der ersten großflächigen Kontaktanschlussfläche der Schaltungsstruktur deutlich isoliert ist. Auch hier ist es von Vorteil, dass die einzelnen Elektroden der Halbleiterschaltungschips auf den Kontaktanschlussflächen der Schaltungsstruktur diffusionsgelötet sind und damit sichergestellt ist, dass keine unbeabsichtigten und die Zuverlässigkeit des Halbleitermoduls gefährdenden Kurzschlüsse bei der Flipchip-Montage entstehen.
  • Dabei wird vorzugsweise der erste Halbleiterschaltungschip mit seiner großflächigen Drainelektrode auf seiner Rückseite über eine Diffusionslotschicht mit einer großflächigen Kontaktanschlussfläche der Schaltungsstruktur in DCB (Direct Copper Bonding) oberflächenmontiert. Gleichzeitig ist diese Kontaktanschlussfläche mit der großflächigen Sourceelektrode der Oberseite des in Flipchip-Technik montierten zweiten Halbleiterschaltungschips derart verbunden, dass die großflächige Kontaktanschlussfläche den Knotenpunkt der Halbbrückenschaltung bildet.
  • Vorzugsweise sind die Diffusionslotschichten aus einem Diffusionslotmaterial, das mindestens einen der Stoffe AuSn, AgSn, CuSn und/oder InAg aufweist. Der Vorteil derartiger Diffusionslotschichten ist neben einer präzisen Trennung der zu verbindenden Elektrodenbereiche während der Flipchip-Montage zusätzlich, dass die entstehenden intermetallischen Phasen dieser Diffusionslotmaterialien einen höheren Schmelzpunkt aufweisen als die für das Bilden der Diffusionslotschicht erforderlichen Diffusionslottemperaturen.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Halbleitermodul mindestens fünf Flachleiteranschlüsse auf. Derartige Flachleiteranschlüsse weisen eine Außenkontaktfläche auf der Unterseite der Schaltungsstruktur auf, die von außen zugänglich ist, und auf der Oberseite der Schaltungsstruktur eine Innenkontaktfläche, die über Bandverbindungen mit Elektroden der Schaltungschips verbunden werden können.
  • Ein erster Flachleiteranschluss liegt mit seiner Außenkontaktfläche auf Massepotential und ist mit seiner Innenkontaktfläche über eine Bondbandverbindung oder über Aluminiumbonddrähte mit der Sourceelektrode des ersten Halbleiterschaltungschips verbunden. Da über diese Bondbandverbindung bzw. über die Aluminiumbonddrähte eine hohe Stromdichte von der Sourceelektrode des ersten Halbleiterschaltungschips zum Massepotential des ersten Flachleiteranschlusses zu transportieren ist, wird sowohl für die Bondbandverbindung als auch für die Aluminiumbonddrähte eine hoher Querschnitt vorgesehen, der sicherstellt, dass keine Gefahr des Aufschmelzens einer derartigen Verbindung besteht.
  • Ein zweiter Flachleiteranschluss ermöglicht über seine Außenkontaktfläche einen Zugriff auf eine Gateelektrode des ersten Halbleiterschaltungschips. Dazu ist die Innenkontaktfläche des zweiten Flachleiteranschlusses über einen Banddraht mit der Gateelektrode des ersten Halbleiterschaltungschips verbunden. Da über einen derartigen Banddraht nur Signalströme fließen, kann dieser Banddraht aus einem wenige Mikrometer dicken Golddraht realisiert werden. Derart dünne Bonddrahtverbindungen erfordern in vorteilhafter Weise relativ kleinflächige Kontaktanschlussflächen auf der Schaltungsstruktur und entsprechend kleinflächige Kontaktflächen auf den zu verwendenden Halbleiterschaltungschips.
  • Ein dritter Flachleiteranschluss ermöglicht mit seiner Außenkontaktfläche einen Zugriff auf einen Knotenpunkt des Halbleiterschaltmoduls. Dazu ist die Innenkontaktfläche des drit ten Flachleiteranschlusses über eine Bondbandverbindung oder über Aluminiumbonddrähte mit einer gemeinsamen Kontaktanschlussfläche der Schaltungsstruktur verbunden. Da diese gemeinsame Kontaktanschlussfläche der Schaltungsstruktur gleichzeitig den Knotenpunkt der Halbbrückenschaltung darstellt, ist somit über den dritten Flachleiteranschluss und über seine Außenkontaktfläche ein Zugriff auf den Knotenpunkt des Halbleiterschaltmoduls gesichert.
  • Ein vierter Flachleiteranschluss ermöglicht über seine Außenkontaktfläche einen Zugriff auf eine Gateelektrode des zweiten Halbleiterschaltungschips. Dazu ist die Innenkontaktfläche des vierten Flachleiteranschlusses über einen Bonddraht mit einer kleinflächigen Kontaktanschlussfläche der Schaltungsstruktur verbunden. Die Gateelektrode des zweiten Halbleiterschaltungschips ist in Flipchip-Technik auf dieser kleinflächigen Kontaktanschlussfläche über eine Diffusionslotschicht fixiert. Mit diesem vierten Flachleiteranschluss wird nicht nur in vorteilhafter Weise ein Zugriff auf eine Gateelektrode ermöglicht, sondern es werden auch die Vorteile der Flipchip-Konstruktion für den zweiten Halbleiterschaltungschip deutlich.
  • Ein fünfter Flachleiteranschluss liegt mit seiner Außenkontaktfläche auf einem Versorgungspotential. Mit seiner Innenkontaktfläche ist der Flachleiteranschluss über Bondbänder oder über Aluminiumbonddrähte mit der Drainelektrode des zweiten Halbleiterschaltungschips verbunden. Über diesen fünften Flachleiteranschluss wird nun eine hohe Stromstärke durch die Halbbrückenschaltung ermöglicht, wenn beispielsweise am Knotenpunkt eine Last angeschlossen ist und der HSS Halbleiterschaltungschip durchgeschaltet ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Schaltungsstruktur teilweise auf einem Schaltungsträger aus Keramik aufgebaut und weist eine großflächige Kontaktanschlussfläche einer in das Keramikmaterial eingebetteten Kupferplatte auf, die mit einem Diffusionslotmaterial beschichtet ist. Dieses hat den Vorteil, dass die mit einer Diffusionslotschicht zu verbindenden Halbleiterschalungschips lediglich auf diese großflächige Metallplatte bei Diffusionslottemperatur zu pressen sind.
  • Andererseits ist es auch möglich, dass die Metallplatte aus Kupfer unbeschichtet bleibt und lediglich die großflächigen Elektroden der Halbleiterschaltungschips eine Beschichtung aus Diffusionslotmaterial aufweisen. Diese Lösung hat den Vorteil, dass die Diffusionslotschichtflächen minimiert werden können. Der Schaltungsträger aus Keramikmaterial hat darüber hinaus den Vorteil, dass er einerseits eine höhere thermische Leitfähigkeit aufweist als eine umgebende Gussmasse aus Kunststoff und andererseits kann dieser Leitungsträger aus Keramik für den Diffusionslotprozess auf die erhöhten Temperaturen von bis zu 450°C für das Diffusionslöten unbeschadet aufgeheizt werden.
  • Ferner ist es möglich, dass die Schaltungsstruktur eine mehrschichtige Kontaktanschlussfläche aufweist, die eine Kupferschicht als Basisschicht und eine obere Schicht aus Diffusionslotmaterial aufweist. In diesem Fall, der insbesondere für die kleinflächigen Kontaktanschlussflächen von Vorteil ist, wird lediglich das Keramikmaterial des Schaltungsträgers mit einer Kupferschicht versehen, wobei das Einbetten einer Metallplatte entfällt.
  • Die Schaltungsstruktur kann von einer Vergussmasse umhüllt sein, welche die Flachleiteranschlüsse einbettet, wobei Außenkontaktflächen der Flachleiteranschlüsse auf der Unterseite des Halbleiterschaltmoduls und Innenkontaktflächen auf einem Niveau des o.a. Schaltungsträgers von Vergussmasse frei bleiben, um in einem weiteren Schritt die Verbindungselemente wie Aluminiumbonddrähte, Bondbandverbindungen und/oder Goldbonddrähte anzubringen.
  • In einer erweiterten Ausführungsform der Erfindung ist auf der Schaltungsstruktur zusätzlich eine Freilaufdiode vorgesehen. Derartige Freilaufdioden schützen die Halbleiterschaltungschips vor Überlastungen und werden vorzugsweise zwischen Source und Drain der Halbleiterchips angeordnet.
  • In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung weisen die Halbleiterschaltungschips vertikale ladungskompensierte MOS-FET's als Leistungsschalter auf. Diese vertikalen ladungskompensierten MOSFET's haben den Vorteil eines minimierten Durchlasswiderstands und können hohe Ströme bei niedrigem Durchlasswiderstand schalten. Dazu können sie zusätzlich mit einer integrierten Gate-Treiberschaltung ausgerüstet sein, wodurch die Zuverlässigkeit des Halbleiterschaltmoduls erhöht wird. Schließlich ist es möglich, als Gateelektrode eine vertikale Trenchgateelektrode in den Halbleiterschaltungschips vorzusehen, wodurch wiederum eine technologische Verbesserung des Halbleiterschaltmoduls möglich wird. Vorzugsweise wird ein derartiges Halbleiterschaltmodul als Batterieschutzschaltung oder als Motorbrückenschaltung oder als Teil eines DC/DC- und/oder AC/DC-Wandlers eingesetzt.
  • Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterschaltmoduls weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird eine Schaltungsstruktur aus Kupferplatten, die in einen Schaltungsträger aus Keramik eingebettet sind, für mindestens eine großflächige Kontaktanschlussfläche und eine kleinflächige Kontaktanschlussfläche auf der Oberseite des Schaltungsträgers hergestellt. Ferner werden Flachleiteranschlüsse mit Außenkontaktflächen auf dem Niveau der Unterseite des Schaltungsträgers und Innenkontaktflächen auf dem Niveau der Oberseite des Schaltungsträgers hergestellt.
  • Damit ist eine Schaltungsstruktur geschaffen, auf der nun die weiteren Komponenten des Halbleiterschaltmoduls mit ihren Verbindungselementen aufgebracht werden können. Dazu werden zunächst Halbleiterschaltungschips des MOSFET-Typs hergestellt. Anschließend erfolgt ein Beschichten der Elektroden der Halbleiterschaltungschips und/oder der Kontaktanschlussflächen, der Außenkontaktflächen und der Innenkontaktflächen mit einem Diffusionslotmaterial. Danach wird die Schaltungsstruktur mit mindestens einem Halbleiterschaltungschip in Flipchip-Technik unter Diffusionslöten von Source- und Gateelektrode auf entsprechende Kontaktanschlussflächen der Schaltungsstruktur bestückt, indem ein Anpressdruck auf die Halbleiterschaltungschips bei einer Diffusionslottemperatur ausgeübt wird. Nach dem Fixieren der Halbleiterschaltungschips auf den Kontaktanschlussflächen des Schaltungsträgers werden Verbindungselemente zwischen Elektroden der Halbleiterschaltungschips oder zwischen Kontaktanschlussflächen der Schaltungsstruktur und den Innenkontaktflächen der Flachleiteranschlüsse angebracht.
  • Abschließend kann das nun funktionsfähige Halbleiterschaltmodul in ein Modulgehäuse eingebaut werden. Dazu kann das Modulgehäuse in vorteilhafter Weise aus einer Vergussmasse bestehen, welche die einzelnen Komponenten bis auf die Außen kontaktflächen der Flachleiteranschlüsse vollständig umhüllt. Ein derartiges Modulgehäuse kann jedoch auch eine Metallumhüllung aufweisen, die in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gleichzeitig als Kühlfläche dient.
  • In einem bevorzugten Durchführungsbeispiel der Erfindung werden vor dem Diffusionsföten der Elektroden der Halbleiterleistungschips auf den Kontaktanschlussflächen des Schaltungsträgers auf die Elektroden der Halbleiterschaltungschips Diffusionslotschichten aus dem Diffusionslotmaterial aufgebracht, die mindestens einen der Stoffe AuSn, AgSn, CuSn und/oder InAg aufweisen und intermetallische Phasen beim Diffusionslöten bilden, deren Schmelzpunkt höher ist als eine Diffusionslöttemperatur. Wobei die Diffusionslöttemperatur TD, mit der die Halbleiterschaltungschips mit ihren Elektroden auf die Kontaktanschlussflächen der Schaltungsstruktur aufgebracht werden, zwischen 180°C ≤ TD ≤ 450°C beträgt.
  • Zur Vorbereitung der Flachleiteranschlüsse kann ein Flachleiterrahmen aus einer Metallplatte vorzugsweise einer ebenen Kupferplatte mit mehreren Halbleiterschaltmodulpositionen hergestellt werden. Zum Strukturieren der ebenen Metallplatte kann diese gestanzt werden und/oder nass oder trocken geätzt werden, um die Flachleiteranschlüsse herauszuarbeiten. Andererseits ist es auch möglich, einen Flachleiterrahmen mit einer Flachleiterrahmenstruktur durch galvanisch auf einem Hilfsträger abgeschiedenes Metallmaterial herzustellen und nach Fertigstellung der Halbleiterschaltmodule diesen Hilfsträger wieder zu entfernen.
  • Zum Anbringen von Verbindungselementen zwischen einer kleinflächigen Gateelektrode der Oberseite eines Halbleiterschaltungschips und vorgesehenen Innenkontaktflächen von Flachlei teranschlüssen des Flachleiterrahmens in den Halbleiterschaltmodulpositionen werden Bonddrahtverbindungen eingebracht. Andererseits werden als Verbindungselemente Bondbänder oder Aluminiumbonddrähte verwendet, wenn hohe Ströme zu transportieren sind, wie für Verbindungen zwischen großflächigen Elektroden der Halbleiterschaltungschips und den vorgesehenen Innenkontaktflächen entsprechender Flachleiteranschlüsse.
  • Da bei dieser Technik auf einem Flachleiterrahmen in den Halbleiterschaltmodulpositionen des Flachleiterrahmens mehrere Halbleiterschaltmodule entstehen, wird anschließend der Flachleiterrahmen mittels einer Lasertrenntechnik oder einer Stanztechnik oder einer Sägetechnik in einzelne Halbleiterschaltmodule aufgetrennt. Ein derartiges Auftrennen kann jedoch auch durch ein Ätzverfahren erfolgen.
  • Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
  • 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterschaltmodul einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Schaltungsstruktur für ein Halbleiterschaltmodul gemäß 1;
  • 3 zeigt eine Prinzipskizze einer Halbbrückenschaltung für ein Bordnetz;
  • 4 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen bestückten Schaltungsträger.
  • 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterschaltmodul 21 einer Ausführungsform der Erfindung. Das Halbleiterschaltmodul 21 weist Halbleiterchips 22 auf, wobei ein erster Halbleiterschaltungschip 24 als LSS (Low Side Switch) und ein zweiter Halbleiterschaltungschip 25 als HSS (High Side Switch) einer Halbbrückenschaltung 23, die in 3 gezeigt wird, angeordnet ist. Ein Knotenpunkt K der Halbbrückenschaltung wird von einer Kupferplatte 20, die in einem Schaltungsträger 19 aus Keramikmaterial eingebettet ist, gebildet, wobei auf einer großflächigen Kontaktanschlussfläche 12 der Kupferplatte 20 über eine Diffusionslotschicht 14 die Drainelektrode D1 auf der Rückseite 15 des ersten Halbleiterschaltungschips 24 fixiert ist und über eine weitere Diffusionsschicht 14 die Sourceelektrode S2 auf der Oberseite 16 des in Flipchip-Technik angeordneten zweiten Halbleiterschaltungschip 25 fixiert ist.
  • Über die gemeinsame Kupferplatte 20 können hohe Ströme zwischen der Drainelektrode D1 des ersten Halbleiterschaltungschips 24 und der Sourceelektrode S2 des zweiten Halbleiterschaltungschip 25 fließen, ohne dass sich das Halbleiterschaltmodul 21 unzulässig aufheizt. Auf dem Schaltungsträger 19 aus Keramik ist darüber hinaus eine kleinflächige Kontaktanschlussfläche 13 als Kupferschicht 26 aufgebracht, die über eine Diffusionsschicht 14 mit einer kleinflächigen Gateelektrode G2 des zweiten Halbleiterschaltungschips 25 verbunden ist. Neben der Kupferplatte 20 als Knotenpunkt K der Halbbrückenschaltung sind bei diesem Halbleiterschaltmodul 21 mindestens fünf Flachleiteranschlüsse 7 vorgesehen, von denen die Flachleiteranschlüsse 2 und 4 in diesem Querschnitt gezeigt werden. Die Flachleiteranschlüsse 2 und 4 weisen an der Unterseite 10 einer gemeinsamen Schaltungsstruktur 6, die gleichzeitig die Unterseite 29 des Halbleiterschaltmoduls 21 bildet, Außenkontaktflächen 8 auf, über die auf die Gateelektroden G1 und G2 des ersten und des zweiten Halbleiterschaltungschips 24 bzw. 25 zugegriffen werden kann.
  • Dazu ist auf der Innenkontaktfläche 9 des zweiten Flachleiteranschlusses 2 ein Bonddraht 18 fixiert, der auf der Gateelektrode G1 der Oberseite 16 des ersten Halbleiterschaltungschips 24 endet. Da über diesen Bonddraht 18 lediglich Signalströme fließen, kann hier ein wenige Mikrometer dicker Bonddraht eingesetzt werden. Das gleiche gilt für den Flachleiteranschluss 4, über dessen Außenkontaktfläche 8 ein Zugriff auf die Gateelektrode G2 des in Flipchip-Technik angeordneten zweiten Halbleiterschaltungschips 25 ermöglicht wird. Auch hier wird die Innenkontaktfläche 9 des Flachleiteranschlusses 4 über einen wenige Mikrometer dicken Bonddraht 18 mit einer Kontaktanschlussfläche 13 auf dem Schaltungsträger 19 verbunden, wobei diese kleinflächige Kontaktanschlussfläche 13 gleichzeitig mit der Gateelektrode G2 des zweiten Halbleiterschaltungschips 24 über eine Diffusionslotschicht 14 verbunden ist.
  • Die Sourceelektrode S1 des ersten Halbleiterschaltungschips 24 ist über Aluminiumbonddrähte 17 mit dem Massepotential GND elektrisch über einen nicht gezeigten weiteren Flachleiteranschluss 7 verbunden. Auch die Drainelektrode D2 des zweiten Halbleiterschaltungschips 25 ist über Aluminiumbonddrähte 17 mit einem nicht gezeigten Flachleiteranschluss 7, der auf einem Versorgungspotential VBB liegt, elektrisch verbunden. Die Oberseite 11 der gemeinsamen Schaltungsstruktur 6 sowie die beiden Halbleiterschaltungschips 24 und 25 und die Verbindungselemente 30 sind in eine Vergussmasse 28 eingebettet, die gleichzeitig das Modulgehäuse 31 bildet.
  • 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Schaltungsstruktur 6 für ein Halbleiterschaltmodul 21 gemäß 1. Im Zentrum der Schaltungsstruktur 6 ist eine Metallplatte 20 angeordnet, die mit ihrer Oberseite eine großflächige Kontaktanschlussfläche 12 der Schaltungsstruktur 6 bildet. Diese Kupferplatte 20 ist bündig in einem Schaltungsträger 19 aus Keramikmaterial eingebettet. Neben der großflächigen Kontaktanschlussfläche 12 ist eine kleinflächige Kontaktanschlussfläche 13 angeordnet, die aus einer Kupferbeschichtung auf dem Schaltungsträger 19 aus Keramikmaterial besteht.
  • Die kleinflächige Kontaktanschlussfläche 13 dient zur Aufnahme einer Gateelektrode eines zweiten Halbleiterschaltungschips und zur Verbindung mit einem Flachleiteranschluss 4 der Flachleiteranschlüsse 7, die in zwei Randbereichen der Schaltungsstruktur 6 angeordnet sind. Von den Flachleiteranschlüssen 7 sind lediglich die Innenanschlussflächen 9 in dieser Draufsicht zu sehen. Der Schaltungsträger 19 aus Keramik sowie die metallischen Flachleiteranschlüsse 7 sind in eine Vergussmasse 28 eingebettet, welche die Kontaktanschlussflächen 12 und 13 und die Innenkontaktflächen 9 sowie die Außenkontaktflächen der Flachleiteranschlüsse 7 von Vergussmasse freihält.
  • 3 zeigt eine Prinzipskizze einer Halbbrückenschaltung 23 für ein Bordnetz. Die Halbleiterschaltungschips LSS und HSS sind in Reihe zwischen dem Versorgungspotential VBB und dem Massepotential GND und damit zwischen den Flachleiteranschlüssen 1 und 5 angeordnet. Zwischen den beiden Halbleiterschaltungschips 24 und 25 ist ein Knotenpunkt K angeordnet, an dem die Drainelektrode D1 des LSS und die Sourceelektrode S2 des HSS zusammengeführt sind und über den Flachleiteran schluss 3 kontaktierbar sind. Über die Flachleiteranschlüsse 2 und 4 sind die jeweiligen Gateelektroden G1 und G2 ansteuerbar. Eine derartige Halbbrücke wird mit 4 auf einer Schaltungsstruktur 6 verwirklicht.
  • 4 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen bestückten Schaltungsträger 19. Die Abdeckung des Halbleiterschaltmoduls 21 bzw. die Vergussmasse, wie sie in 1 gezeigt wird, sind weggelassen worden, um die Bestückung des Schaltungsträgers 19 zu zeigen. Auf dem Schaltungsträger 19 aus Keramik, der von einer Vergussmasse 28 umgeben ist, befindet sich eine großflächige Kontaktanschlussfläche 12 und eine kleinflächige Kontaktanschlussfläche 13. Während die großflächige Kontaktanschlussfläche 12 zu einer Kupferplatte 20 gehört, die in den Schaltungsträger 19 aus Keramikmaterial eingebettet ist, wird die kleinflächige Kontaktanschlussfläche 13 von einer Kupferschicht 26 gebildet. Die Halbleiterchips 22 sind auf der Metallplatte 20 angeordnet, wobei der erste Halbleiterschaltungschip 24 mit seiner Drainelektrode auf der Metallplatte 20 fixiert ist und der zweite Halbleiterschaltungschip 25 mit seiner Sourceelektrode auf der gemeinsamen großflächigen Kontaktanschlussfläche 13 einer Kupferplatte 20 angeordnet ist.
  • Somit bildet die Kupferplatte 20 den Knotenpunkt K, der in 3 für eine Halbbrücke gezeigt wird. Dieser Knotenpunkt K ist über Aluminiumdrähte 17 und den dritten Flachleiteranschluss 3 in der Vergussmasse zugänglich. Ein Massepotential GND kann über den Flachleiteranschluss 1 an die Sourceelektrode S1 des ersten Halbleiterschaltungschips 24 gelegt werden. Schließlich kann über einen fünften Flachleiteranschluss 5 auf die Drainelektrode D2 des zweiten Halbleiterschaltungschips zugegriffen werden. Dabei ist ein sechster Flachleiteranschluss 7 nicht beschaltet, zumal die Halbbrücke, wie sie in 3 gezeigt wird, mit fünf Flachleiteranschlüssen 1 bis 5 auskommt.
    • 1
    erster Flachleiteranschluss
    2
    zweiter Flachleiteranschluss
    3
    dritter Flachleiteranschluss
    4
    vierter Flachleiteranschluss
    5
    fünfter Flachleiteranschluss
    6
    gemeinsame Schaltungsstruktur
    7
    Flachleiteranschluss
    8
    Außenkontaktfläche
    9
    Innenkontaktfläche
    10
    Unterseite der Schaltungsstruktur
    11
    Oberseite der Schaltungsstruktur
    12
    Kontaktanschlussfläche (großflächig)
    13
    Kontaktanschlussfläche (kleinflächig)
    14
    Diffusionslotschicht
    15
    Rückseite des Halbleiterschaltungschips
    16
    Oberseite des Halbleiterschaltungschips
    17
    Aluminiumbonddraht
    18
    Bonddraht
    19
    Schaltungsträger
    20
    Kupferplatte
    21
    Halbleiterschaltmodul
    22
    Halbleiterchip
    23
    Halbbrückenschaltung
    24
    erster Halbleiterschaltungschip als LSS
    25
    zweiter Halbleiterschaltungschip als HSS
    26
    Kupferschicht
    27
    obere Schicht (Diffusionslotschicht)
    28
    Vergussmasse
    29
    Unterseite des Halbleiterschaltmoduls
    30
    Verbindungselement
    31
    Modulgehäuse
    D1
    Drainelektrode LSS
    G1
    Gateelektrode LSS
    S1
    Sourceelektrode LSS
    D2
    Drainelektrode HSS
    G2
    Gateelektrode HSS
    S2
    Sourceelektrode HSS
    K
    Knotenpunkt
    GND
    Massepotential
    VBB
    Versorgungspotential

Claims (31)

  1. Halbleiterschaltmodul für Bordnetze mit mehreren Halbleiterchips (22), wobei das Halbleiterschaltmodul (21) mindestens eine Halbbrückenschaltung (23) mit einem ersten Halbleiterschaltungschip (24) als LSS (Low Side Switch) und einem zweiten Halbleiterschaltungschip (25) als HSS (High Side Switch) auf einer gemeinsamen Schaltungsstruktur (6) aufweist, wobei die Schaltungsstruktur Kontaktanschlussflächen (12, 13) auf der Oberseite (11) der Schaltungsstruktur (6) und Flachleiteranschlüsse (7) mit Außenkontaktflächen (8) auf der Unterseite (10) der Schaltungsstruktur (6) und mit Innenkontaktflächen (9) auf der Oberseite (11) der Schaltungsstruktur (6) aufweist, wobei mindestens einer der Halbleiterschaltungschips (24, 25) in Flipchip-Technik auf Kontaktanschlussflächen (12, 13) der Schaltungsstruktur (6) angeordnet ist.
  2. Halbleiterschaltmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Halbleiterschaltungschip (24, 25) Leistungshalbleiterbauelemente des MOSFET-Typs sind, die auf ihren Rückseiten (15) großflächige oberflächenmontierbare Drainelektroden (D1, D2) und auf ihren Oberseiten (16) oberflächenmontierbare Elektroden mit einer großflächige Sourceelektrode (S1, S2) und einer kleinflächigen Gateelektrode (G1, G2) aufweisen.
  3. Halbleiterschaltmodul nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsstruktur (6) mindestens zwei Kontaktanschlussflächen (12, 13) aufweist, wobei eine großflächi ge Kontaktanschlussfläche (12) eine Drainelektrode (D1) des ersten Halbleiterschaltungschips (24) und eine Sourceelektrode (S2) des zweiten Halbleiterschaltungschips (25) aufnimmt und elektrisch verbindet, und wobei eine kleinflächige Kontaktanschlussfläche (13) mit einer Gateelektrode (G2) des zweiten Halbleiterschaltungschips (25) elektrisch verbunden ist.
  4. Halbleiterschaltmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Halbleiterschaltungschip (24) mit seiner großflächigen Drainelektrode (D1) auf seiner Rückseite (15) über eine Diffusionslotschicht (14) auf einer großflächigen Kontaktanschlussfläche (12) der Schaltungsstruktur (6) in DCB (Direct Copper Bonding) oberflächenmontiert ist, wobei die Kontaktanschlussfläche (12) gleichzeitig mit der großflächigen Sourceelektrode (S2) der Oberseite (16) des in Flipchip-Technik montierten zweiten Halbleiterschaltungschips (25) derart verbunden ist, dass die großflächige Kontaktanschlussfläche (12) einen Knotenpunkt (K) der Halbbrückenschaltung (23) bildet.
  5. Halbleiterschaltmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Diffusionslotschichten (14) als Diffusionslotmaterial mindestens einen der Stoffe AuSn, AgSn, CuSn und/oder InAg aufweisen.
  6. Halbleiterschaltmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermodul (21) mindestens fünf Flachleiteranschlüsse (1 bis 5) aufweist.
  7. Halbleiterschaltmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Flachleiteranschluss (1) mit seiner Außenkontaktfläche (8) auf Massepotential (GND) liegt und mit seiner Innenkontaktfläche (9) über eine Bondbandverbindung oder über Aluminiumbonddrähte (17) mit der Sourceelektrode (S1) des ersten Halbleiterschaltungschips (24) verbunden ist.
  8. Halbleiterschaltmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Flachleiteranschluss (2) über seine Außenkontaktfläche (8) einen Zugriff auf eine Gateelektrode (G1) des ersten Halbleiterschaltungschips (24) ermöglicht, wobei die Innenkontaktfläche (9) des zweiten Flachleiteranschlusses (2) über einen Bonddraht (18) mit der Gateelektrode (G1) des ersten Halbleiterschaltungschips (24) verbunden ist.
  9. Halbleiterschaltmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Flachleiteranschluss (3) mit seiner Außenkontaktfläche (8) einen Zugriff auf einen Knotenpunkt (K) des Halbleiterschaltmoduls (21) ermöglicht, wobei die Innenkontaktfläche (9) des dritten Flachleiteranschlusses (3) über eine Bondbandverbindung oder über Aluminiumbonddrähte (17) mit einer gemeinsamen Kontaktanschlussfläche (12) der Schaltungsstruktur (6) verbunden ist.
  10. Halbleiterschaltmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein vierter Flachleiteranschluss (4) über seine Außen kontaktfläche (8) einen Zugriff auf eine Gateelektrode (G2) des zweiten Halbleiterschaltungschips (25) ermöglicht, wobei die Innenkontaktfläche (9) des vierten Flachleiteranschlusses (4) über einen Bonddraht (18) mit einer kleinflächigen Kontaktanschlussfläche (13) der Schaltungsstruktur (6) verbunden ist, und wobei die Gateelektrode (G2) des zweiten Halbleiterschaltungschips (25) in Flipchip-Technik auf dieser kleinflächigen Kontaktanschlussfläche (13) über eine Diffusionslotschicht (14) fixiert ist.
  11. Halbleiterschaltmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein fünfter Flachleiteranschluss (5) mit seiner Außenkontaktfläche (8) auf einem Versorgungspotential (VBB) liegt und mit seiner Innenkontaktfläche (9) über Bondbänder oder über Aluminiumbonddrähte (17) mit der Drainelektrode (D2) des zweiten Halbleiterschaltungschips (25) verbunden ist.
  12. Halbleiterschaltmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsstruktur (6) auf einem Schaltungsträger (19) aus Keramik aufgebaut ist und eine großflächige Kontaktanschlussfläche (12) einer in das Keramikmaterial eingebetteten Kupferplatte (20) aufweist, die mit einem Diffusionslotmaterial beschichtet ist.
  13. Halbleiterschaltmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsstruktur (6) eine mehrschichtige Kontakt anschlussfläche (12, 13) aufweist, die eine Kupferschicht (26) als Basisschicht und eine obere Schicht (27) aus Diffusionslotmaterial aufweist.
  14. Halbleiterschaltmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (19) von einer Vergussmasse (28) umhüllt ist und die Flachleiteranschlüsse (1 bis 5) einbettet, wobei Außenkontaktflächen (8) der Flachleiteranschlüsse (1 bis 5) auf der Unterseite (29) des Halbleiterschaltmoduls (21) und Innenkontaktflächen (9) auf einem Niveau eines Schaltungsträgers (19) von Vergussmasse (28) frei bleiben.
  15. Halbleiterschaltmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Schaltungsstruktur (6) zusätzlich eine Freilaufdiode angeordnet ist.
  16. Halbleiterschaltmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Halbleiterschaltungschips (24, 25) in Flipchip-Technik auf Kontaktanschlussflächen (12, 13) der Schaltungsstruktur (6) über Diffusionslotschichten (14) mit diesen elektrisch und stoffschlüssig verbunden ist.
  17. Halbleiterschaltmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschaltungschips (24, 25) vertikale ladungskompensierte MOSFET's aufweisen, wobei mindestens ein Halbleiterschaltungschip (24, 25) zusätzlich zu dem MOSFET eine integrierte Gate-Treiberschaltung aufweist.
  18. Halbleiterschaltmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gateelektrode (G1, G2) eine vertikale Trenchgateelektrode ist.
  19. Verwendung des Halbleiterschaltmoduls (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 18 als Batterieschutzschaltung.
  20. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterschaltmodule (21), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: – Herstellen einer Schaltungsstruktur (6) aus Kupferplatten (20), die in einen Schaltungsträger (19) aus Keramik eingebettet sind, für mindestens eine großflächige Kontaktanschlussfläche (12) und eine kleinflächige Kontaktanschlussfläche (13) auf der Oberseite des Schaltungsträgers (19); – Herstellen von Flachleiteranschlüssen (1 bis 5) mit Außenkontaktflächen (8) auf dem Niveau der Unterseite des Schaltungsträgers (19) und Innenkontaktflächen (9) auf dem Niveau der Oberseite des Schaltungsträgers (19); – Herstellen von Halbleiterschaltungschips (24, 25) des MOSFET-Typs; – Beschichten der Elektroden (G1, D1, S1; G2, D2, S2) der Halbleiterschaltungschips (12, 13) und/oder der Kontaktanschlussflächen (12, 13), der Außenkontakt flächen (9) und der Innenkontaktflächen (10) mit einem Diffusionslotmaterial; – Bestücken der Schaltungsstruktur (6) mit mindestens einem Halbleiterschaltungschip (12, 13) in Flipchip-Technik unter Diffusionslöten von Source-(S2) und Gateelektrode (G2) auf entsprechende Kontaktanschlussflächen (12, 13) der Schaltungsstruktur (6); – Aufbringen von Verbindungselementen (30) zwischen Elektroden der Halbleiterschaltungschips (24, 25) oder Kontaktanschlussflächen (12, 13) der Schaltungsstruktur (6) und Innenkontaktflächen (9) der Flachleiteranschlüsse (1 bis 5); – Einbringen des Halbleiterschaltmoduls (21) in ein Modulgehäuse (31).
  21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Elektroden der Halbleiterschaltungschips (24, 25) Diffusionslotschichten (14) aus einem Diffusionslotmaterial aufgebracht werden, die mindestens einen der Stoffe AuSn, AgSn, CuSn und/oder InAg aufweisen und intermetallische Phasen beim Diffusionslöten bilden, deren Schmelzpunkte höher sind als eine Diffusionslöttemperatur.
  22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschaltungschips (24, 25) beim Diffusionslöten auf eine Diffusionslöttemperatur TD zwischen 180°C ≤ TD ≤ 450°C aufgeheizt werden.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Halbleiterschaltungschips (24, 25) ein Anpressdruck beim Diffusionslöten ausgeübt wird.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen von Flachleiteranschlüssen (1 bis 5) ein Flachleiterrahmen aus einer Metallplatte vorzugsweise einer ebenen Kupferplatte (20) mit mehreren Halbleiterschaltmodulpositionen hergestellt wird.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass zum Strukturieren die ebene Metallplatte gestanzt wird.
  26. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass zum Strukturieren die ebene Metallplatte nass oder trocken geätzt wird.
  27. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen von Flachleiteranschlüssen (1 bis 5) ein Flachleiterrahmen mit einer Flachleiterrahmenstruktur galvanisch auf einem Hilfsträger abgeschieden und nach Fertigstellung der Halbleiterschaltmodule (21) der Hilfsträger entfernt wird.
  28. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass zum Anbringen von Verbindungselementen (30) zwischen einer kleinflächigen Gateelektrode (G1, G2) der Oberseite (16) eines Halbleiterschaltungschips (24) und vorgesehenen Innenkontaktflächen (9) von Flachleiteranschlüssen (1 bis 5) des Flachleiterrahmens in den Halbleiterschaltmodulpositionen Bonddrahtverbindungen (18) angebracht werden.
  29. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass zum Anbringen von Verbindungselementen (30) zwischen einer großflächigen Elektrode der Halbleiterschaltungschips (24, 25) und vorgesehenen Innenkontaktflächen (9) von Flachleiteranschlüssen (1 bis 5) des Flachleiterrahmens in den Halbleiterschaltmodulpositionen Bondbänder oder Aluminiumbonddrähte (17) angebracht werden.
  30. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass zum Auftrennen des Flachleiterrahmens in einzelne Halbleiterschaltmodule (21) eine Stanztechnik, eine Sägetechnik oder eine Lasertrenntechnik eingesetzt wird.
  31. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass zum Auftrennen des Flachleiterrahmens in einzelne Halbleiterschaltmodule (21) ein Ätzverfahren eingesetzt wird.
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