DE102006038479B4 - Leistungshalbleitermodul mit zwei Mehrfach-Leistungshalbleiterbauelementen - Google Patents

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Abstract

Leistungshalbleitermodul mit zwei Mehrfach-Halbleiterbauelementen, von denen jedes einen Halbleiterkörper (1, 2, 3, 4) aufweist, in dem wenigstens zwei vertikale Leistungshalbleiterbauelemente (10, 20, 30, 40, 50, 60, 10', 20', 30', 40', 50', 60') angeordnet sind, wobei jedes der vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente (10, 20, 30, 40, 50, 60, 10', 20', 30', 40', 50', 60') einen an einer Vorderseite (1a) des Halbleiterkörpers (1, 2, 3, 4) angeordneten ersten Lastanschluss (11, 21, 31, 41, 51, 61, 11', 21', 31', 41', 51', 61') und jedes der vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente (10, 20, 30, 40, 50, 60, 10', 20', 30', 40', 50', 60') einen an einer der Vorderseite (1a) gegenüberliegenden Rückseite (1b) des Halbleiterkörpers (1, 2, 3, 4) angeordneten zweiten Lastanschluss (12, 22, 32, 42, 52, 62, 12', 22', 32', 42', 52', 62') aufweist, wobei der Halbleiterkörper (1) des einen Mehrfach-Halbleiterbauelements drei steuerbare Halbleiterbauelemente (10, 20, 30) eines ersten Typs und der Halbleiterkörper (2) des anderen Mehrfach-Halbleiterbauelements drei steuerbare...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit zwei Mehrfach-Leistungshalbleiterbauelementen.
  • In elektrischen Installationen werden zum Schalten hoher Ströme und Spannungen typischerweise Leistungshalbleiterbauelemente eingesetzt. Die technische Realisierung erfolgt dabei regelmäßig in Form von Leistungshalbleitermodulen, bei denen eine Anzahl vertikaler Leistungshalbleiterbauelemente auf einem gemeinsamen Substrat, z. B. einem flächigen DCB-Substrat (DCB = Direct Copper Bonding), in einem Gehäuse angeordnet sind.
  • Hierbei ist jedes der vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente mit einer Anschlussfläche einer Metallisierungsfläche des Substrats, beispielsweise durch Auflöten, verbunden. Dabei können mehrere Leistungshalbleiterbauelemente sowohl auf voneinander getrennten Metallisierungsflächen als auch auf einer gemeinsamen Metallisierungsfläche angeordnet sein.
  • Der Nachteil einer derartigen Anordnung besteht darin, dass die einzelnen Leistungshalbleiterbauelemente separat montiert werden müssen, was einen entsprechend hohen Fertigungsaufwand mit entsprechend langen Prozesszeiten erfordert.
  • Aus der US 2004/0248330 A1 ist ein Halbleitermodul bekannt, bei dem unabhängig voneinander betreibbare Halbleiterelemente auf einem gemeinsamen Siliziumcarbid-Substrat angeordnet sind. Die Halbleiterelemente sind durch Isolationsgebiete wie beispielsweise einem Graben oder einer Schottky-Diode elektrisch voneinander entkoppelt.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Leistungshalbleitermodul mit der Möglichkeit einer einfachen und schnellen Montage bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Leistungshalbleitermodul gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
  • Das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul umfasst zwei Mehrfach-Leistungshalbleiterbauelemente. In jedem dieser Mehrfach-Leistungshalbleiterbauelemente sind wenigstens zwei vertikale Leistungshalbleiterbauelemente in einem gemeinsamen Halbleiterkörper angeordnet und können so gemeinsam auf einem Substrat platziert und darauf befestigt werden.
  • Jedes der wenigstens zwei vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente weist einen an einer Vorderseite des Halbleiterkörpers angeordneten ersten Lastanschluss sowie einen an einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite des Halbleiterkörpers angeordneten zweiten Lastanschluss auf.
  • Die Lastanschlüsse dienen zur äußeren Kontaktierung der in dem Halbleiterkörper realisierten vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente. Sie sind vorzugsweise als Oberflächenmetallisierungen des Halbleiterkörpers ausgebildet, die lokal auf entsprechende Anschlussbereiche der vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente aufgebracht sind.
  • Prinzipiell eignen sich alle steuerbaren, nicht steuerbaren, oder zündbaren Leistungshalbleiterbauelemente, insbesondere Dioden, MOSFETs, IGBTs, JFETs und Bipolartransistoren, sofern sie einen vertikalen Aufbau mit zwei auf einander gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterkörpers angeordneten Lastanschlüssen aufweisen.
  • Je nach Art eines vertikalen Leistungshalbleiterbauelements kann es sich bei den Anschlussbereichen insbesondere um Drain-, Source-, Emitter-, Kollektor-, Anoden- oder Kathodenzonen des Halbleiterkörpers handeln.
  • Abhängig von der jeweiligen Anwendung kann es erforderlich sein, benachbarte der in dem gemeinsamen Halbleiterkörper angeordneten vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente elektrisch voneinander zu entkoppeln bzw. zu isolieren. Die betreffenden Leistungshalbleiterbauelemente können dabei vollständig oder nur teilweise elektrisch voneinander entkoppelt bzw. isoliert sein.
  • Bevorzugt weisen die in einem gemeinsamen Halbleiterkörper integrierten Leistungshalbleiterbauelemente eine gemeinsame Halbleiterzone mit einem gemeinsamen Substratpotenzial auf. Die Potenzialtrennung erfolgt dann vorzugsweise durch elektrisch sperrende Strukturen an der Halbleiteroberfläche, beispielsweise mittels einer jedes der Leistungshalbeiterbauelemente umgebenden Randstruktur, so dass unterhalb der Randstruktur auch im Halbleitervolumen ein Potenzialabbau in horizontaler Richtung erfolgt.
  • Zur Entkopplung der in einem gemeinsamen Halbleiterkörper angeordneten Leistungshalbleiterbauelemente eignen sich jedoch auch zwei oder mehr abwechselnd aufeinander folgend angeordnete p- und n-Halbleiterzonen, die als Diode bzw. als Diodenkaskade wirken. Ebenso besteht die Möglichkeit, zwischen den zu entkoppelnden Leistungshalbleiterbauelementen einen nicht oder nur gering dotierten Halbleiterabschnitt mit vorgegebener Breite vorzusehen.
  • Außerdem können zur Isolation zwischen den Halbleiterbauelementen isolierende Schichten, insbesondere aus Siliziumdioxid oder einem anderen Halbleiteroxid, vorzugsweise Oxide oder Nitride vom Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers, eingesetzt werden.
  • Bei einer nur teilweisen Entkopplung bzw. Isolation können bestimmte Halbleiterzonen benachbarter in einem gemeinsamen Halbleiterkörper angeordneter Leistungshalbleiterbauelemente auch durch eine gemeinsam genutzte Halbleiterzone des Halbleiterkörpers miteinander verbunden sein.
  • Bei bestimmten Anwendungen kann es wünschenswert sein, dass die oberen, d. h. vom Träger abgewandten Oberseiten zweier Leistungshalbleiterbauelemente, deren Laststrecken in Reihe geschaltet sind, ein gemeinsames Potenzial aufweisen sollen. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Leistungshalbleiterbauelemente komplementär zueinander, z. B. ein pnp-Bauelement und ein npn-Bauelement oder ein n-Kanal Bauelement und ein p-Kanal Bauelement, gewählt werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. In den Figuren zeigen:
  • 1 ein Leistungshalbleitermodul mit einer Umrichter-Brückenschaltung mit drei Halbbrücken, deren obere und untere Halbbrückenzweige von jeweils einem steuerbaren vertikalen Leistungshalbleiterbauelement gebildet sind, wobei die drei steuerbaren vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente der oberen Halbbrückenzweige gemeinsam in einem ersten Halbleiterkörper und die drei steuerbaren vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente der unteren Halbbrückenzweige gemeinsam in einem zweiten Halbleiterkörper angeordnet sind,
  • 2 ein Schaltbild der Umrichter-Brückenschaltung des Leistungshalbleitermoduls gemäß 1,
  • 3 einen Vertikalschnitt durch die Umrichter-Brückenschaltung des Leistungshalbleitermoduls gemäß 1 in einer Ebene A-A',
  • 4 einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt des ersten Halbleiterkörpers des Leistungshalbleitermoduls gemäß 1 in einer Ebene B-B', bei der benachbart in dem gemeinsamen Halbleiterkörper angeordnete Leistungshalbleiterbauelemente mittels einer Feldring-Feldplattenstruktur elektrisch voneinander entkoppelt sind,
  • 5 einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt des ersten Halbleiterkörpers eines Leistungshalbleitermoduls entsprechend 1 in der Ebene B-B', bei der benachbart in dem gemeinsamen Halbleiterkörper angeordnete Leistungshalbleiterbauelemente mittels zweier Diodenübergänge elektrisch voneinander entkoppelt sind,
  • 6 einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt des ersten Halbleiterkörpers eines Leistungshalbleitermoduls entsprechend 1 in der Ebene B-B', bei der benachbart in dem gemeinsamen Halbleiterkörper angeordnete Leistungshalbleiterbauelemente mittels zweier dielektrischer Schichten elektrisch voneinander entkoppelt sind,
  • 7 einen Vertikalschnitt durch das Leistungshalbleitermodul gemäß 1 in einer Ebene C-C'.
  • 8 ein Leistungshalbleitermodul mit einer Umrichter-Brückenschaltung gemäß 1, die zusätzlich einen dritten und einen vierten Halbleiterkörper mit jeweils drei vertikalen Leistungsdioden aufweist, und
  • 9 ein Schaltbild der Anordnung gemäß 8.
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
  • 1 zeigt eine Umrichter-Brückenschaltung eines Leistungshalbleitermoduls mit einem ersten Halbleiterkörper 1 und einem zweiten Halbeiterkörper 2. Die Halbleiterkörper 1, 2 werden auch als ”Chips” bezeichnet. Sie können aus einem beliebigen Halbleitermaterial, insbesondere aus Silizium, gebildet sein.
  • Die Anordnung umfasst weiterhin ein Substrat 90 mit einem dielektrischen Keramikträger 99, der zumindest auf seiner Oberseite eine Oberseitenmetallisierung mit einem ersten Metallisierungsabschnitt 91 und einem zweiten Metallisierungsabschnitt 92 aufweist.
  • Der erste Halbleiterkörper 1 ist auf den ersten Metallisierungsabschnitt 91, der zweite Halbleiterkörper 2 auf den zweiten Metallisierungsabschnitt 92 aufgelötet.
  • Der erste Halbleiterkörper 1 weist drei vertikale, in einer Reihe nebeneinander angeordnete Halbleiterbauelemente 10, 20 und 30, der zweite Halbleiterkörper 2 drei vertikale, in einer Reihe nebeneinander angeordnete Halbleiterbauelemente 40, 50 und 60 auf. Jedes der Halbleiterbauelemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 ist auf ihrer dem DCB-Substrat 90 abgewandten Seite von einer Isolationsrandstruktur 15, 25, 35, 45, 55, 65 umgeben.
  • Bei den Halbleiterbauelementen 10, 20, 30 des ersten Halbleiterkörpers 1 handelt es sich jeweils um identische n-Kanal IGBTs, die jeweils einen ersten Lastanschluss 11, 21 bzw. 31 sowie jeweils einen Steueranschluss 13, 23 bzw. 23 aufweisen.
  • Entsprechend sind die Halbleiterauelemente 40, 50 60 des zweiten Halbleiterkörpers 2 als identische p-Kanal IGBTs mit jeweils einem ersten Lastanschluss 41, 51 bzw. 61 und jeweils einem Steueranschluss 43, 53 bzw. 63 ausgebildet.
  • Des weiteren weisen die Halbleiterbauelemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 auf ihrer dem Substrat 90 zugewandten Seite noch jeweils einen zweiten, in der vorliegenden Ansicht nicht erkennbaren – zweiten Lastanschluss auf. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die ersten Lastanschlüsse 11, 21, 31, 41, 51, 61 als Drain-Anschlüsse, die zweiten Lastanschlüsse als Source-Anschlüsse und die Steueranschlüsse 13, 23, 33, 43, 53, 63 als Gate-Anschlüsse ausgebildet.
  • Zur Herstellung einer Dreifach-Halbbrücke sind die ersten Lastanschlüsse 11, 21, 31 des ersten Halbleiterkörpers 1 z. B. durch Bonddrähte 71, 72 bzw. 73 paarweise mit den ersten Lastanschlüssen 41, 51 bzw. 61 des zweiten Halbleiterkörpers 2 elektrisch leitend verbunden.
  • Die zweiten Lastanschlüsse der Halbleiterbauelemente 10, 20, 30 sind auf den ersten Metallisierungsabschnitt 91 aufgelötet und ebenfalls elektrisch leitend miteinander verbunden. In gleicher Weise sind auch die zweiten Lastanschlüsse der Halbleiterbauelemente 40, 50, 60 auf den zweiten Metallisierungsabschnitt 92 aufgelötet und elektrisch leitend miteinander verbunden. Durch die Integration mehrerer Halbleiterauelemente 10, 20, 30 bzw. 40, 50, 60 in einem Halbleiterkörper 1 und 2 können diese gemeinsam und in einem Schritt auf die Metallisierungsabschnitte 91 bzw. 92 z. B. aufgelötet, gesintert oder geklebt werden.
  • Durch diese Verschaltung bildet jeweils ein Halbleiterauelement 10, 20, 30 des ersten Halbleiterkörpers 1 zusammen mit einem Halbleiterauelement 40, 50, 60 des zweiten Halbleiterkörpers 2 eine Halbbrücke (10 mit 40, 20 mit 50 bzw. 30 mit 60). Die Halbleiterbauelemente 10, 20, 30 bilden dabei die oberen, die Halbleiterbauelemente 40, 50, 60 die unteren Zweige der jeweiligen Halbbrücke.
  • Zu ihrer äußeren Beschaltung weist die Anordnung einen Anschluss P zur Zuführung einer positiven Brückenspannung, einen Anschluss N zur Zuführung einer negativen Brückenspannung, sowie Anschlüsse G1, G2, G3, G4, G5 und G6 zur Zuführung einer Steuerspannung an jeweils einen der Steueranschlüsse 13, 23, 33, 43, 53 bzw. 63. Außerdem werden an Ausgängen U, V und W die Ausgangsspannungen der Dreifach-Halbbrücke bereitgestellt.
  • Die in 1 ebenfalls dargestellten externen Anschlüsse P, N, G1, G2, G3, G4, G5, G6, U, V und W sind in der genannten Reihenfolge mittels Bonddrähten 74, 75, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 71, 72 bzw. 73 elektrisch leitend mit den entsprechenden ersten bzw. zweiten Metallisierungsabschnitten 91 bzw. 92, den oberseitigen Steueranschlüssen 13, 23, 33, 43, 53 bzw. 63 sowie den oberseitigen Lastanschlüssen 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 verbunden.
  • Die externen Anschlüsse P, N, G1, G2, G3, G4, G5, G6, U, V und W können je nach konkreter Anwendung verschiedenartig ausgeführt sein. Insbesondere kann es sich bei ihnen um Anschlusslaschen handeln, die aus einem in 1 nicht dargestellten Gehäuse des Leistungshalbleitermoduls herausgeführt sind.
  • 2 zeigt das Schaltbild der Anordnung gemäß 1. Anstelle der im vorliegenden Ausführungsbeispiel eingesetzten IGBTs können jedoch auch MOSFETs oder andere steuerbare vertikale Leistungshalbleiterbauelemente zur Realisierung einer Brückenschaltung eingesetzt werden. Besonders bevorzugt sind die steuerbaren vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 als IGBTs mit integrierten parallelen Freilaufdioden (”reverse conducting IGBTs”) ausgebildet.
  • 3 zeigt einen Vertikalschnitt durch die Anordnung gemäß 1 in einer Ebene A-A'. Als Grenze zwischen den benachbarten der in dem gemeinsamen Halbleiterkörper 1 integrierten Leistungshalbleiterbauelemente 10, 20, 30 ist jeweils eine gestrichelte vertikale Linie dargestellt. In dieser Ansicht sind auch die in 1 nicht erkennbaren zweiten Lastanschlüsse 12, 22 und 32 der Leistungshalbleiterbauelemente 10, 20 bzw. 30 dargestellt, welche gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung einstückig als durchgehende Metallisierung ausgebildet sind. Ebenso können die zweiten Lastanschlüsse 10, 20, 30 voneinander beabstandet und/oder elektrisch voneinander isoliert sein.
  • In gleicher Weise können die zweiten Lastanschlüsse der Leistungshalbleiterbauelemente 40, 50, 60 des zweiten Halbleiterkörpers 2 ebenso einstückig als durchgehende Metallisierung oder voneinander beabstandet und/oder elektrisch voneinander isoliert aufgebaut sein.
  • Im Fall elektrisch voneinander isolierter Leistungshalbleiterbauelemente 10, 20, 30 bzw. 40, 50, 60 eines Halbleiterkörpers 1 bzw. 2 wird die elektrische Verbindung durch die Metallisierungsabschnitte 91 zw. 92 hergestellt.
  • Für andere Schaltungsanordnungen kann es jedoch sinnvoll sein, einzelne oder alle der zweiten Lastanschlüsse elektrisch voneinander zu entkoppeln, so dass bestimmte der Leistungshalbleiterbauelemente ganz oder teilweise separat beschaltet werden können. Hierzu weisen die Leistungshalbleiterbauelemente 10, 20, 30 Isolationsrandstrukturen 15, 25 bzw. 35 auf.
  • Grundsätzlich eines oder mehrere der Mehrfachhalbleiterbauelemente anstelle mit ihren zweiten Lastanschlüssen 12, 22, 32, 42, 52, 62 auch mit ihren ersten Lastanschlüssen 11, 21, 31, 41, 51, 61 und mit ihren Steueranschlüssen 13, 23, 33, 43, 53, 63 auf das Substrat 90 aufgebracht sein (Flip-Chip-Montage).
  • 4 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt des ersten Halbleiterkörpers 1 der Anordnung gemäß 1 in einer Ebene B-B' im Übergangsbereich zwischen dem ersten und zweiten Leistungshalbleiterbauelement 10 bzw. 20 mit solchen Isolationsrandstrukturen 15 bzw. 25. Das erste Leistungshalbleiterbauelement 10 umfasst eine Driftzone 19, an die sich eine stark p-dotierte Zone 18 anschließt, die der Lastanschluss 11 kontaktiert. Entsprechend umfasst das zweite Leistungshalbleiterbauelement 20 eine Driftzone 29, an die sich eine stark p-dotierte Zone 28 anschließt, welche der Lastanschluss 21 kontaktiert. Die Driftzonen 19 und 29 bilden zusammen eine schwach n-dotierte, dem ersten und zweiten Leistungshalbleiterbauelementen 10 und 20 gemeinsame Halbleiterzone.
  • Die Isolationsrandstruktur 15 des ersten Leistungshalbleiterbauelements 10 weist eine als Feldring-Feldplatten-Struktur ausgebildete Randstruktur mit Feldringen 14 und Feldplatten 16 auf. Entsprechend umfasst das zweite Leistungshalbleiterbauelement 20 eine Feldring-Feldplatten-Struktur mit Feldringen 24 und Feldplatten 26. Jede der elektrisch leitenden, vorzugsweise aus Polysilizium oder Aluminium gebildeten Feldplatten kontaktiert einen der komplementär zur schwach n-dotierten Driftzone dotierten Feldringe auf der Oberseite des Halbleiterkörpers 1.
  • Bei an dem jeweiligen Bauelement anliegender Sperrspannung bewirkt eine solche Feldring-Feldplatten-Struktur einen kontrollierten Abbau des Elektrischen Feldes im Randbereich des Bauelements, wodurch Spannungsspitzen und damit verbundene Spannungsdurchbrüche im seitlichen Randbereich des jeweiligen Leistungshalbleiterbauelementes vermieden werden. Unterhalb einer derartigen Randstruktur erfolgt ein Potenzialabbau im Halbleitervolumen auch in horizontaler Richtung.
  • In 4 sind beispielhaft einige Äquipotenziallinien 6 sowie eine Feldlinie des daraus resultierenden Elektrischen Feldes E dargestellt.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 weisen die Feldring-Feldplatten-Strukturen jeweils zwei Paare mit jeweils einem Feldring und jeweils einer Feldplatte auf. Grundsätzlich kann die Anzahl der Feldring-Feldplatten-Paare eines Leistungshalbleiterbauelements 10, 20, 30 jedoch beliebig gewählt werden.
  • 5 zeigt einen Abschnitt des Halbleiterkörpers 1 entsprechend 4, allerdings ist hier zur elektrischen Entkopplung der benachbarten Leistungshalbleiterbauelemente 10, 20 anstelle einer Feldring-Feldplatten-Struktur eine Diodenstruktur mit pn-Übergängen 17 und 27 vorgesehen. Generell ist die Anzahl der zwischen zwei Lastanschlüssen 11, 21 angeordneten pn-Übergänge beliebig.
  • Die Herstellung der pn-Übergänge 17, 27 erfolgt vorzugsweise durch eine komplementär zu einer Grunddotierung (im vorliegenden Ausführungsbeispiel ”n-”) des Halbleiterkörpers 1 dotierte Trennzone 8. Die Trennzone 8 erstreckt sich bevorzugt durchgehend und lückenlos zwischen der Vorderseite 1a und der Rückseite 1b des Halbleiterkörpers 1.
  • Die Herstellung einer solchen Trennzone 8 kann z. B. mittels einer maskierten Implantation und/oder mittels einer maskierten Eindiffusion geeigneter Dotierstoffe in den Halbleiterkörper 1 und mittels eines nachfolgenden Eintreib-Temperschritts erfolgen. Die maskierte Implantation und/oder Eindiffusion wird bevorzugt beidseitig, d. h. ausgehend von der Vorderseite 1a und von der Rückseite 1b vorgenommen.
  • Auch 6 zeigt einen Abschnitt des Halbleiterkörpers 1 entsprechend 4, jedoch sind hier zur elektrischen Entkopplung der benachbarten Leistungshalbleiterbauelemente 10, 20 anstelle einer Feldring-Feldplatten-Struktur eine Diodenstruktur mit beispielhaft zwei voneinander beabstandeten Trenndielektrika 7 vorgesehen. Grundsätzlich ist die Anzahl der zwischen zwei Lastanschlüssen 11, 21 angeordneten Trenndielektrika 7 jedoch beliebig.
  • Die Trenndielektrika 7 sind bevorzugt als zusammenhängende Dielektrikumsschichten ausgebildet, welche sich durchgehend und lückenlos zwischen der Vorderseite 1a und der Rückseite 1b des Halbleiterkörpers 1 erstrecken.
  • Als Dielektrikum eignen sich insbesondere Oxide und/oder Nitride vom Grundmaterial des Halbleiterkörpers wie z. B. Siliziumdioxid oder Tetraethylorthosilikat (TEOS).
  • Isolationsrandstrukturen 15, 25, 35, 45, 55, 65 gemäß den 1, 3 und 4, die eine Feldring-Feldplatten-Randstruktur aufweisen, wie sie z. B. anhand von 4 erläutert wurde, sind vorzugsweise ringförmig um die vorderseitigen und/oder rückseitigen Lastanschlüsse 11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61 bzw. 62 der betreffenden Leistungshalbleiterbauelemente 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60 angeordnet.
  • Demgegenüber ist es im Fall von Isolationsrandstrukturen 15, 25, 35, 45, 55, 65 gemäß den 1 und 3, welche eine Trennzone 8 gemäß 5 und/oder ein Trenndielektrikum 8 gemäß 6 aufweisen, ausreichend, wenn sie nur im Bereich der Grenze zwischen benachbarten Leistungshalbleiterbauelementen 10, 20, 30, 40, 50, 60 angeordnet sind.
  • 7 zeigt einen Vertikalschnitt durch die Anordnung gemäß 1 in einer Ebene C-C' durch die vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente 10 und 40. Hierbei ist zu erkennen, dass die Laststrecken der vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente 10, 40 zu einer Halbbrücke verschaltet sind.
  • Bei der Anordnung gemäß 1 sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Leistungshalbleiterbauelemente 10, 20, 30 der oberen Halbbrückenzweige einerseits und die Leistungshalbleiterbauelemente 40, 50, 60 der unteren Halbbrückenzweige andererseits als zueinander komplementäre Leistungshalbleiterbauelemente ausgebildet. Als komplementär in diesem Sinne werden n-Kanal Bauelemente im Verhältnis zu p-Kanal Bauelementen oder npn-Transistoren im Verhältnis zu pnp-Transistoren verstanden.
  • Anstelle der in 1 gezeigten Dreifach-Halbbrücke können selbstverständlich auch Zweifach-Halbbrücken (H-Brücken) oder Mehrfach-Halbbrückenschaltungen mit mehr als drei Halbbrücken in entsprechender Weise miteinander verschaltet sein.
  • Allgemein können die in einem Halbleiterkörper integrierten vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente in beliebiger Weise auch elektrisch unabhängig voneinander verbaut und nach Bedarf miteinander verschaltet werden.
  • Die dabei erforderlichen elektrisch leitenden Verbindungen können durch verschiedenste Maßnahmen, z. B. durch Bondverbindungen, durch Auflöten des Halbleiterkörpers auf eine Leiterbahnstruktur, durch ober- und/oder unterseitige Druckkontaktierungen der ersten und/oder zweiten Lastanschlüsse oder durch eine auf den Halbleiterkörper auflaminierte Folienstruktur mit flexiblen Leiterbahnen hergestellt werden.
  • Generell können bei einem erfindungsgemäßen Mehrfach-Leistungshalbleiterbauelement anstelle oder zusätzlich zu steuerbaren vertikalen Leistungshalbleiterbauelementen auch nicht steuerbare vertikale Leistungshalbleiterbauelemente wie z. B. Dioden vorgesehen sein.
  • Beispielsweise ist es möglich, zur Herstellung einer B6-Dioden-Brücke ausgehend von der Anordnung gemäß den 1, 3 und 7 die steuerbaren vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 durch vertikale Leistungsdioden zu ersetzen. In diesem Fall würden die Steueranschlüsse 13, 23, 33, 43, 53, 63 sowie deren externe Anschlüsse G1, G2, G3, G4, G5, G6 sowie die Bonddrähte 81, 82, 83, 84, 85, 86 entfallen.
  • Wenn beispielsweise die ersten Lastanschlüsse 11, 21, 31 sowie die zweiten Lastanschlüsse 42, 52, 62 die Anoden und die ersten Lastanschlüsse 41, 51, 61 sowie die zweiten Lastanschlüsse 12, 22, 32 die Kathoden der Dioden bilden, können die Dioden einer solchen B6-Dioden-Brücke als Freilaufdioden für die in den 1 bis 7 beschriebene Umrichterschaltung dienen.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in den 8 und 9 dargestellt. Die Anordnung entspricht der Dreifach-Brückenanordnung gemäß den 1 bis 7. Alle Ausführungen zu den 1 bis 7 gelten daher entsprechend auch für die Anordnung gemäß den 8 bzw. 9.
  • Als Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 7 sind bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 8 und 9 noch Freilaufdioden 10', 20', 30', 40', 50' und 60' vorgesehen.
  • Dazu ist auf die erste Metallisierungsfläche 91 zusätzlich zu dem ersten Halbleiterkörper 1 ein dritter Halbleiterkörper 3 aufgelötet, der die drei vertikalen Freilaufdioden 10', 20', 30' mit ersten Anschlussflächen 11', 21', 31' sowie zwischen dem dritten Halbleiterkörper 3 und dem DCB-Substrat 90 angeordnete und in der vorliegenden Ansicht nicht sichtbare zweite Anschlussflächen 12', 22', 32' umfasst.
  • Weiterhin ist auf die zweite Metallisierungsfläche 92 zusätzlich zu dem zweiten Halbleiterkörper 2 ein vierter Halbleiterkörper 4 aufgelötet, der die drei vertikalen Freilaufdioden 40', 50', 60' mit ersten Anschlussflächen 41', 51', 61' sowie zwischen dem vierten Halbleiterkörper 4 und dem DCB-Substrat 90 angeordnete und in der vorliegenden Ansicht nicht sichtbare zweite Anschlussflächen 42', 52', 62' umfasst.
  • Jede der Freilaufdioden 10', 20', 30', 40', 50', 60' ist auf ihrer dem DCB-Substrat 90 abgewandten Seite von einer Isolationsrandstruktur 15', 25', 35', 45', 55', 65' umgeben.
  • Die ersten Anschlussflächen 11', 21', 31' und die zweiten Anschlussflächen 42', 52', 62' stellen die Anoden, die zweiten Anschlussflächen 12', 22', 32' und die ersten Anschlussflächen 41', 51', 61' die Kathoden der Dioden 10', 20', 30', 40', 50', 60' dar.
  • Ebenso wie bei dem ersten und zweiten Halbleiterkörper 1 bzw. 2 sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die dem DCB-Substrat 90 zugewandten zweiten Anschlussflächen 12', 22', 32' ebenso wie die zweiten Anschlussflächen 42', 52', 62' einstückig ausgebildet.
  • Oberseitig sind die ersten Anschlussflächen der steuerbaren Halbleiterbauelemente und Dioden jeweils einer der drei Halbbrücken mittels Bonddrähten 71, 72 bzw. 73 elektrisch leitend verbunden.
  • Bei einer Anordnung gemäß 8 müssen anstelle von zwölf Einzel-Halbleiterbauelementen einer entsprechenden bekannten Anordnung lediglich 4 Halbleiterkörper 1, 2, 3 und 4 auf das DCB-Substrat 90 aufgebracht werden.
  • Wie aus den 8 und 9 weiter ersichtlich ist, ist jeweils eine der Leistungsdioden 10', 20', 30' des dritten Halbleiterkörpers 3 mit einer der Leistungsdioden 40', 50', 60' des vierten Halbleiterkörpers 4 in Reihe geschaltet (B2-Brücke). Die Anordnung weist somit drei B2-Brücken 10'/40', 20'/50' und 30'/60' auf.
  • Bei allen voranstehend erläuterten Anordnungsmöglichkeiten können in die Halbleiterkörper 1, 2, 3 und 4 noch weitere zusätzliche Halbleiterelemente wie z. B. Bremschopper-Schaltelemente oder Schalter zur Leistungsfaktor-Korrektur (PFC-Schalter) integriert sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    erster Halbleiterkörper
    1a
    Vorderseite des ersten Halbleiterkörpers
    1b
    Rückseite des ersten Halbleiterkörpers
    2
    zweiter Halbleiterkörper
    3
    dritter Halbleiterkörper
    4
    vierter Halbleiterkörper
    5
    Dielektrikum
    6
    Äquipotenziallinien
    7
    Trenndielektrikum
    8
    Trennzone
    10
    erstes Halbleiterbauelement
    11
    erster Lastanschluss des ersten Halbleiterbauelements
    12
    zweiter Lastanschluss des ersten Halbleiterbauelements
    13
    Steueranschluss des ersten Halbleiterbauelements
    14
    Feldringe des ersten Halbleiterbauelements
    15
    Isolationsrandstruktur des ersten Halbleiterbauelements
    16
    Feldplatten des ersten Halbleiterbauelements
    17
    Diodenübergang des ersten Halbleiterbauelements
    18
    p-Wanne des ersten Halbleiterbauelements
    19
    Driftzone des ersten Halbleiterbauelements
    20
    zweites Halbleiterbauelement
    21
    erster Lastanschluss des zweiten Halbleiterbauelements
    22
    zweiter Lastanschluss des zweiten Halbleiterbauelements
    23
    Steueranschluss des zweiten Halbleiterbauelements
    24
    Feldringe des zweiten Halbleiterbauelements
    25
    Isolationsrandstruktur des zweiten Halbleiterbauelements
    26
    Feldplatten des zweiten Halbleiterbauelements
    27
    Diodenübergang des zweiten Halbleiterbauelements
    28
    p-Wanne des zweiten Halbleiterbauelements
    29
    Driftzone des zweiten Halbleiterbauelements
    30
    drittes Halbleiterbauelement
    31
    erster Lastanschluss des dritten Halbleiterbauelements
    32
    zweiter Lastanschluss des dritten Halbleiterbauelements
    33
    Steueranschluss des dritten Halbleiterbauelements
    35
    Isolationsrandstruktur des dritten Halbleiterbauelements
    40
    viertes Halbleiterbauelement
    41
    erster Lastanschluss des vierten Halbleiterbauelements
    42
    zweiter Lastanschluss des vierten Halbleiterbauelements
    43
    Steueranschluss des vierten Halbleiterbauelements
    45
    Isolationsrandstruktur des vierten Halbleiterbauelements
    50
    fünftes Halbleiterbauelement
    51
    erster Lastanschluss des fünften Halbleiterbauelements
    52
    zweiter Lastanschluss des fünften Halbleiterbauelements
    53
    Steueranschluss des fünften Halbleiterbauelements
    55
    Isolationsrandstruktur des fünften Halbleiterbauelements
    60
    sechstes Halbleiterbauelement
    61
    erster Lastanschluss des sechsten Halbleiterbauelements
    62
    zweiter Lastanschluss des sechsten Halbleiterbauelements
    63
    Steueranschluss des sechsten Halbleiterbauelements
    65
    Isolationsrandstruktur des sechsten Halbleiterbauelements
    10'
    erste Diode
    11'
    erster Lastanschluss der ersten Diode
    12'
    zweiter Lastanschluss der ersten Diode
    15'
    Isolationsrandstruktur der ersten Diode
    20'
    erste Diode
    21'
    erster Lastanschluss der ersten Diode
    22'
    zweiter Lastanschluss der ersten Diode
    25'
    Isolationsrandstruktur der ersten Diode
    20'
    zweite Diode
    21'
    erster Lastanschluss der zweiten Diode
    22'
    zweiter Lastanschluss der zweiten Diode
    25'
    Isolationsrandstruktur der zweiten Diode
    30'
    dritte Diode
    31'
    erster Lastanschluss der dritten Diode
    32'
    zweiter Lastanschluss der dritten Diode
    35'
    Isolationsrandstruktur der dritten Diode
    40'
    vierte Diode
    41'
    erster Lastanschluss der vierten Diode
    42'
    zweiter Lastanschluss der vierten Diode
    45'
    Isolationsrandstruktur der vierten Diode
    50'
    fünfte Diode
    51'
    erster Lastanschluss der fünften Diode
    52'
    zweiter Lastanschluss der fünften Diode
    55'
    Isolationsrandstruktur der fünften Diode
    60'
    sechste Diode
    61'
    erster Lastanschluss der sechsten Diode
    62'
    zweiter Lastanschluss der sechsten Diode
    65'
    Isolationsrandstruktur der sechsten Diode
    71
    Bonddraht
    72
    Bonddraht
    73
    Bonddraht
    74
    Bonddraht
    75
    Bonddraht
    81
    Bonddraht
    82
    Bonddraht
    83
    Bonddraht
    84
    Bonddraht
    85
    Bonddraht
    86
    Bonddraht
    90
    DCB-Substrat
    91
    erster Abschnitt der Oberseitenmetallisierung des DCB-Substrats
    92
    zweiter Abschnitt der Oberseitenmetallisierung des DCB-Substrats
    93
    Unterseitenmetallisierung des DCB-Substrats
    99
    Keramikträger
    A-A'
    Schnittebene
    B-B'
    Schnittebene
    C-C'
    Schnittebene
    E
    elektrisches Feld
    P
    externer Anschluss
    N
    externer Anschluss
    G1
    externer Anschluss
    G2
    externer Anschluss
    G3
    externer Anschluss
    G4
    externer Anschluss
    G5
    externer Anschluss
    G6
    externer Anschluss
    U
    externer Anschluss
    V
    externer Anschluss
    W
    externer Anschluss

Claims (16)

  1. Leistungshalbleitermodul mit zwei Mehrfach-Halbleiterbauelementen, von denen jedes einen Halbleiterkörper (1, 2, 3, 4) aufweist, in dem wenigstens zwei vertikale Leistungshalbleiterbauelemente (10, 20, 30, 40, 50, 60, 10', 20', 30', 40', 50', 60') angeordnet sind, wobei jedes der vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente (10, 20, 30, 40, 50, 60, 10', 20', 30', 40', 50', 60') einen an einer Vorderseite (1a) des Halbleiterkörpers (1, 2, 3, 4) angeordneten ersten Lastanschluss (11, 21, 31, 41, 51, 61, 11', 21', 31', 41', 51', 61') und jedes der vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente (10, 20, 30, 40, 50, 60, 10', 20', 30', 40', 50', 60') einen an einer der Vorderseite (1a) gegenüberliegenden Rückseite (1b) des Halbleiterkörpers (1, 2, 3, 4) angeordneten zweiten Lastanschluss (12, 22, 32, 42, 52, 62, 12', 22', 32', 42', 52', 62') aufweist, wobei der Halbleiterkörper (1) des einen Mehrfach-Halbleiterbauelements drei steuerbare Halbleiterbauelemente (10, 20, 30) eines ersten Typs und der Halbleiterkörper (2) des anderen Mehrfach-Halbleiterbauelements drei steuerbare Halbleiterbauelemente (40, 50, 60) eines zweiten Typs aufweist, wobei jede der Laststrecken der steuerbaren Halbleiterelemente (10, 20, 30) des ersten Typs mit einer der Laststrecken eines steuerbaren Halbleiterelements (40, 50, 60) des zweiten Typs zu insgesamt drei Halbbrücken in Reihe geschaltet sind.
  2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, bei dem die steuerbaren Halbleiterbauelemente des ersten Typs als vertikale p-Kanal MOSFETs und die steuerbaren Halbleiterbauelemente des zweiten Typs als vertikale n-Kanal MOSFETs ausgebildet sind.
  3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, bei dem die steuerbaren Halbleiterbauelemente des ersten Typs als vertikale p-Kanal IGBTs (10, 20, 30) und die steuerbaren Halbleiterbauelemente des zweiten Typs als vertikale n-Kanal IGBTs (40, 50, 60) ausgebildet sind.
  4. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zumindest bei dem einem der Mehrfach-Halbeiterbauelemente die zweiten Lastanschlüsse (12, 22, 32, 42, 52, 62, 12', 22', 32', 42', 52', 62') elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
  5. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die zweiten Lastanschlüsse (12, 22, 32, 42, 52, 62, 12', 22', 32', 42', 52', 62') zumindest bei einem der Mehrfach-Halbleiterbauelemente einen gemeinsamen Lastanschluss bilden.
  6. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Leistungshalbleiterbauelemente (10, 20, 30, 40, 50, 60, 10', 20', 30', 40', 50', 60') zumindest eines der Mehrfach-Halbleiterbauelemente eine gemeinsame Halbleiterzone (19 mit 29) aufweisen.
  7. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zumindest bei einem der Mehrfach-Halbleiterbauelemente benachbarte der in einem gemeinsamen Halbleiterkörper (1) angeordneten Leistungshalbleiterbauelemente (10, 20) elektrisch voneinander entkoppelt sind.
  8. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 7, bei dem wenigstens bei einem der Mehrfach-Halbleiterbauelemente zumindest eines der benachbarten Leistungshalbleiterbauelemente (10, 20) zur Entkopplung eine Feldring-Feldplatten-Struktur aufweist.
  9. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 7 oder 8, bei dem wenigstens bei einem der Mehrfach-Halbleiterbauelemente zumindest eines der benachbarten Leistungshalbleiterbauelemente (10, 20) zur Entkopplung einen Diodenübergang (17, 27) aufweist, der sich durchgehend zwischen der Vorderseite (1a) und der Rückseite (1b) erstreckt.
  10. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem wenigstens bei einem der Mehrfach-Halbleiterbauelemente zumindest eines der benachbarten Leistungshalbleiterbauelemente (10, 20) zur Entkopplung ein Trenndielektrikum (7) aufweist, das sich durchgehend zwischen der Vorderseite (1a) und der Rückseite (1b) erstreckt.
  11. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem wenigstens bei einem der Mehrfach-Halbleiterbauelemente zumindest eines der Leistungshalbleiterbauelemente (10, 20, 30, 40, 50, 60) als IGBT, MOSFET, JFET, Thyristor, Bipolartransistor oder Darlingtontransistor ausgebildet ist.
  12. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem wenigstens bei einem der Mehrfach-Halbleiterbauelemente zumindest eines der Leistungshalbleiterbauelemente (10, 20, 30, 40, 50, 60) als IGBT mit integrierter paralleler Freilaufdiode ausgebildet ist.
  13. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem wenigstens bei einem der Mehrfach-Halbleiterbauelemente in den Halbleiterkörper (1, 2) zusätzlich ein weiterer Halbleiterschalter integriert ist.
  14. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 13, bei dem zumindest bei einem der Mehrfach-Halbleiterbauelemente der weitere Halbleiterschalter als Bremschopper-Schaltelement oder als Schalter zur Leistungsfaktor-Korrektur ausgebildet ist.
  15. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem wenigstens bei einem der Mehrfach-Halbleiterbauelemente zumindest eines der Leistungshalbleiterbauelemente als vertikale Leistungsdiode (10', 20', 30', 40', 50', 60') ausgebildet ist.
  16. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche von denen jeweils zumindest eines der Leistungshalbleiterbauelemente (10, 20, 30, 40, 50, 60) der Mehrfach-Halbleiterbauelemente als IGBT, MOSFET, JFET, Thyristor, Bipolartransistor oder Darlingtontransistor ausgebildet ist, wobei in den Halbleiterkörpern 3, 4) der Mehrfach-Halbleiterbauelemente jeweils wenigstens eine vertikale Leistungsdiode (10', 20', 30') angeordnet ist, und wobei jede der vertikalen Leistungsdioden (10', 20', 30', 40', 50', 60') des einen Halbleiterkörpers (1) mit einer vertikalen Leistungsdiode (40', 50', 60') des anderen Halbleiterkörpers (2) in Reihe geschaltet ist.
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