DE102007005233A1 - Leistungsmodul - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Leistungsmodul mit mindestens einem auf einem Substrat angeordneten Halbleiterchip mit nach außen geführten elektrischen Anschlüssen vorgeschlagen. Der auf dem Substrat angeordnete Halbleiterchip und teilweise die Anschlüsse sind mit gut wärmeleitendem, elektrisch isolierendem und nach außen abdichtendem Material (4, 5, 8, 10, 2, 30) thermisch eng gekoppelt. Dieses Material ist um den Halbleiterchip mit Substrat derart angeordnet, dass sich ein Flachbaukörper ergibt, der bis auf die Seite mit den nach außen geführten Kontakten mit einem Kühlmedium koppelbar ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsmodul nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
  • Leistungshalbleiter in leistungselektronischen Systemen, wie Umrichter, Spannungswandler, Gleichrichter und dergleichen benötigen wegen der im Betrieb auftretenden Verlustleistung eine sehr effektive Kühlung. Heutige aufbautechnische Lösungen bieten im Wesentlichen nur eine einseitige Kühlung, wodurch die Ausnutzung der Leistungsfähigkeit der Leistungshalbleiterchips begrenzt ist. Außerdem erfordern die bislang bekannten Aufbautechniken komplizierte Schichtstrukturen aus verschiedensten Materialien, was aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu thermomechanischen Spannung und als Folge davon zu Lebensdauerproblemen führt.
  • Im Bereich hoher Leistung und zur Erzielung hoher Leistungsdichten werden Leistungsmodule im Allgemeinen auf Flüssigkeitskühler montiert. Die dazu bekannten Montagelösungen erfordern entweder platzaufwändige Befestigungs- oder Andruckvorrichtungen und den Einsatz thermischer Interface-Materialien im Fall klassischer Modulkonstruktionen oder aufwändiger Abdichtungen im Fall direkt flüssigkeitsgekühlter Leistungsmodule. Im Ergebnis erreichen Leistungsmodule nach dem Stand der Technik nur ein sehr schlechtes Verhältnis zwischen dem verbauten Siliziumvolumen und dem Gesamtvolumen des Moduls. Ein einseitig flüssigkeitsgekühltes Modul besitzt beispielsweise zur Zeit inklusive Kühler eine Höhe von etwa 20 mm. Bei einer Höhe der eigentlichen Leistungshalbleiter von weniger als 100 μm sind damit nur 0,5% der Gesamthöhe des Moduls aktive Schicht. Hinzu kommt, dass bei den bereits bekannten Modulkonstruktionen die Kontaktierung von Chips und Schaltungsträger senkrecht zur Chipebene über Bonddrähte, aufgelötete Stromanschlüsse und dergleichen erfolgt, wodurch der Raum oberhalb der Chips verbaut ist.
  • Es werden grundsätzlich immer höhere Leistungsdichten verlangt, wodurch die thermischen Belastungen steigen, und außerdem werden schärfer werdende Zuverlässigkeitsanforderungen gestellt. Die grundlegende Herausforderung in Bezug auf die Aufbautechnik für Leistungselektronik-Module besteht darin, dass eine gewisse Anzahl Leistungshalbleiter einerseits untereinander elektrisch isoliert montiert und individuell elektrisch kontaktiert werden muss, um eine konkrete Schaltungsstruktur realisieren zu können, andererseits müssen alle Leistungshalbleiter über einen möglichst niedrigen Wärmewiderstand thermisch eng an eine Kühlstruktur bzw. an das Kühlmedium angekoppelt werden. Daneben sind weitere Randbedingungen, wie ge ringe parasitäre Induktivitäten, Zuverlässigkeitsanforderungen usw. zu berücksichtigen.
  • Als Schaltungsträger, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit mit hoher elektrischer Isolationsfestigkeit verbinden, eignen sich hervorragend dünne keramische Substrate aus Aluminiumoxid (Al2O), Aluminiumnitrid (AIN), Siliciumnitrid (Si3N4), Bornitrid (BN), Siliciumcarbid oder Diamant. Um auf diese Keramiksubstrate Leistungshalbleiter montieren, kontaktieren und elektrisch verbinden zu können, werden sie – im Allgemeinen beidseitig – mit metallischen Schichten versehen. Dafür am weitesten verbreitet sind das DCB/DAB-Verfahren (Direct Copper Bonding, Direct Aluminium Bonding) und das AMB-Verfahren (Active Metal Brazing). Mit diesen Verfahren ist es möglich, auch dicke metallische Leiterbahnen mit Stärken im Bereich von 100 μm bis über 2 mm auf einem Keramiksubstrat zu realisieren, so dass Leiterbahnen, die die für Leistungsmodule benötigte hohe Stromtragfähigkeit aufweisen, erstellt werden können.
  • Grundsätzlich sind Leistungsmodule mit Keramiksubstrat bekannt. Bodenplattenlose Leistungsmodule werden z. B. in der DE 196 30 173 und der DE 40 01 554 beschrieben. Die WO 2004/008618 A2 offenbart ein Aktivgleichrichter-Modul für Drehstromgeneratoren, bei dem Halbleiterchips zwischen zwei Keramiksubstraten angeordnet sind. Einseitig ist ein Kühlkörper angeordnet, wobei das Leistungsmodul unter Herausführung von elektrischen Anschlüssen an mehreren Seiten mit einem Kunststoffspritzgussmaterial umgossen ist.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein kompaktes Leistungshalbleitermodul zu realisieren, das eine wirksame und umfassende Kühlung der aufgenommenen Halbleiterchips ermöglicht und das aufgrund seiner Konstruktion sowohl innere als auch von außen einwirkende mechanische und thermomechanische Spannung im Sinne einer hohen Lastwechselfestigkeit und damit einer hohen Einsatzlebensdauer minimiert.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
  • Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
  • Dadurch, dass der mindestens eine Halbleiterchip innerhalb des Leistungsmoduls und teilweise die Anschlüsse mit einem gut wärmeleitenden und elektrisch isolierenden und nach außen abdichtendes Material in Kontakt sind, d. h., thermisch eng gekoppelt sind, das um den Halbleiterchip mit Substrat derart ausgebildet ist, dass sich ein Flachbaukörper ergibt, der zumindest beidseitig, d. h. mit seinen großen Flächen mit einem Kühlmedium koppelbar ist, ist es über die sehr kurzen und thermisch hochleitfähigen Wärmepfade, die mit den Außenflächen des Moduls in Verbindung stehen möglich, eine hoch effektive zumindest beidseitige Kühlung und zugleich eine kompakte und flache Bauweise zu erzielen.
  • Der mindestens eine Halbleiterchip mit seinem Substrat und teilweise den Anschlüssen ist in vorteilhafter Weise nach allen Seiten, bis auf eine Seite, an denen die elektrischen Anschlüssen nach außen geführt sind hermetisch abgedichtet, wodurch das Leistungsmodul auch von einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium umgeben werden kann. Es ist somit eine allseitige Kühlung möglich. Durch die hermetische Abdichtung reduzieren sich die Anforderungen an das Kühlmedium bezüglich dessen elektrischen und chemischen Eigenschaften, Verschmutzungen und dergleichen drastisch. Das Kühlmedium kann insbesondere auch leitfähig, beispielsweise Wasser, sein.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform des Leistungsmoduls sind die elektronischen Bauelemente bzw. der mindestens eine Halbleiterchip zwischen zwei wärmeleitfähige, elektrisch isolierende Schichtanordnungen, die das Trägersubstrat der Bauelemente umfassen, sandwichartig angeordnet, deren Außenflächen mit dem Kühlmedium thermisch eng gekoppelt sind. Dabei kann die Schichtanordnung als dünnes keramisches Substrat mit metallischer Beschichtung ausgebildet sein, wie aus dem Stand der Technik bekannt.
  • In vorteilhafter Weise können der auf dem mindestens einen Trägersubstrat angeordnete Halbleiterchip und gegebenenfalls weitere Bauelemente in einem wärmeleitfähigen, elektrisch isolierenden Füllmaterial eingebettet sein, wobei das Füllmaterial ein Pulver aus hochwärmeleitfähigen elektrischen Isolierstoffen, wie z. B. Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Bornitrid, Siliciumcarbid oder Diamant sein kann, das vorteilhafter mit organischen oder anorganischen Bindemitteln versehen bzw. in eine Matrix aus Kunststoff, wie Epoxidharz eingebettet ist. Dabei kann das Füllmaterial sowohl in den Raum zwischen den sandwichartigen Schichtanordnungen verfüllt werden oder auch zumindest eine Schichtanordnung ersetzen, wobei das Füllmaterial dann als vorzugsweise gegen das Kühlmedium dichtes Verkapselungsmaterial ausgebildet ist, in das die Gesamtheit von auf mindestens einem Trägersub strat angeordneten Bauelementen eingebettet ist. Dabei sind dann die Außenflächen des Verkapselungsmaterials direkt mit dem Kühlmedium in Kontakt, wobei darunter auch die Ausführungsform verstanden werden soll, bei der die Außenfläche des Verkapselungsmaterials zusätzlich mit einer vorteilhaft hauchdünnen Metallisierung versehen ist.
  • In einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist das Leistungsmodul eine ebenfalls gut wärmeleitende Hülle, vorzugsweise aus einem dünnwandigen metallischen Werkstoff auf, die das mit den Bauelementen thermisch eng gekoppelte wärmeleitende Material übergreift, wobei die Hülle an der für den Durchgriff der elektrischen Anschlüssen vorgesehenen Schmalseite offen ist. Die Hülle ist dabei Wasser- und/oder gasdicht.
  • Vorteilhafterweise ist an die Hülle ein umlaufender Flansch angeformt, der zur Befestigung und/oder zur Abdichtung dienen kann. Ein solcher Flansch kann auch an dem Leistungsmodul an der Seite der nach außen geführten elektrischen Anschlüsse bei den Ausführungsbeispielen vorgesehen sein, die keine Hülle umfassen.
  • Besonders vorteilhaft ist, wenn das im Wesentlichen quaderförmige in flacher Bauweise ausgebildete Leistungsmodul schwertartig in einen ein gasförmiges oder flüssiges Kühlmedium führenden Kühlkanal eingesetzt ist, wobei vorteilhafterweise der umlaufende Flansch den Kühlkanal nach außen abdichtet, da dadurch eine außerordentlich effektive Kühlung erreicht wird. Das erfindungsgemäße Modul kehrt das Kühlprinzip gegenüber den bekannten Kühlprinzipien bei Leistungsmodulen um, bei denen die Kühlflüssigkeit in geschlossenen Strukturen, wie Kühlplatten, Kühldosen, Mikroküh ler usw. geführt wird, und die Module mit diesen Kühlern mechanisch fest und gut wärmeleitend verbunden werden müssen.
  • Bei der Ausführungsform, bei der das Leistungsmodul als Sandwich ohne explizite abdichtende Hülle ausgebildet ist und die Außenflächen der Schichtanordnungen direkt mit dem Kühlmedium in Kontakt stehen, kann eine Abdichtung des Moduls vorteilhafterweise dadurch erzielt werden, dass auf den den Bauelementen zugewandten Flächen der Schichtanordnungen umlaufende Stege bzw. layout-technisch stehen gelassen aufgebracht werden, die dichtend miteinander verbunden werden. Dabei kann die Dichtverbindung – gegebenenfalls unter Verwendung von Höhenausgleichsschichten – durch Löten, Kleben oder Sintern hergestellt werden.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Abdichtung besteht in der Anbringung eines – vorteilhaft metallischen, umlaufenden Bandes, das gasdicht mit den Außenseiten des Moduls verbunden ist. Das Band kann durch einen Umformungsprozess vorzugsweise aus einem einzigen Blechteil hergestellt und so ausgebildet werden, dass es gleichzeitig den umlaufenden Flansch bildet. Die gasdichte Verbindung kann durch Schweiße, löten, Kleben oder dergleichenrealisiert werden.
  • Besonders vorteilhaft ist, wenn das Band eine Ausformung aufweist, die mögliche mechanische Spangen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der Materialien des Sandwich aufnehmen kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Abdichtung durch eine gasdichte Verbindung von auf den Substraten angeordneten und zu diesen überstehenden und geeignet verformten äußeren Metallschichten, wobei die Verbindung mittels Schweißen, Löten oder Bördeln hergestellt werden kann.
  • Zur weiteren Erhöhung der Kühlleistung können in einer vorteilhaften Ausführungsform eine oder mehrere Flächen des Leistungsmoduls, die mit dem Kühlmedium in Kontakt stehen, mit Strukturen zur Oberflächenvergrößerung und Verringerung des Wärmeübergangs versehen sein, wobei die Strukturen aus Metallschaum, geprägten und/oder offenporigen Formkörpern aus gut wärmeleitendem Material, wie Sinterkörper aus Metall oder hochwärmeleitfähiger Keramik, aus geprägter Metallfolie oder einem Drahtverformkörper bestehen. Dabei können die Strukturen bzw. Formkörper zugleich auch die gasdichte Hülle des Moduls realisieren. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Formkörper mittels eines Metall-Spritzgießprozesses auf das Modul aufgebracht. Damit können nicht nur Verrippungen, sondern auch offenporige Metallschaumstrukturen erzeugt werden. Spezielle Prozesse ermöglichen die Erzeugung ortsabhängiger Porositäten. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird die Porosität im Bereich des Flansches und des Modul-Sandwiches auf Null reduziert, so dass der Spritzgießkörper neben seiner Wärmetauscherfunktion auch die Funktionen des Flansches und der Abdichtung übernimmt.
  • In vorteilhafter Weise können in dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul auch passive Bauelemente, Sensorelemente sowie Signalverarbeitungs- und Ansteuer-ICs verbaut sein. Auch können Strom- und Temperatursensoren sowie die entsprechende Auswerteelektronik integriert sein. Dazu ist auch eine Kombination mit Dickschicht- und IMS-Technologie möglich, um in Inneren des Moduls lokal kleinere Strukturbreiten und damit eine höhere Verdrahtungsdichte realisieren zu können.
  • Vorteilhaft ist es, im Bereich der Durchführung der elektrischen Anschlüsse einen Schaltungsträger mit elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen, beispielsweise die Ansteuerung für die Leistungshalbleiter, vorzusehen. Auf diese Weise sind besonders kurze und niederinduktive Verbindungen zwischen der Ansteuerelektronik und den Leistungshalbleitern möglich.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • 1a eine schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls,
  • 1b eine Ansicht von vorn des Leistungsmoduls nach 1a,
  • 2 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel des Einbaus des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls in einen Kühlkanal zur Bildung einer Leistungshalbleiteranordnung,
  • 3 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel des Einbaus des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls einer Leistungshalbleiteranordnung,
  • 4a einen Schnitt durch ein erste Ausführungsform des Leistungsmoduls,
  • 4b eine schaltungsgemäße Ausgestaltung der im Leistungsmodul aufgenommenen Halbleiterchips,
  • 5 einen Teilschnitt durch ein zweites Beispiel eines Leistungsmoduls,
  • 6 einen Teilschnitt durch ein drittes Beispiel des Leistungsmoduls,
  • 7 einen schematischen Schnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel des Leistungsmoduls,
  • 8 eine perspektivische Ansicht mit Schnitt durch ein fünftes Beispiel des Leistungsmoduls,
  • 9 einen Teilschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel des Einbaus des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls,
  • 10 einen Teilschnitt durch ein noch weiteres Ausführungsbeispiel des Einbaus des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls,
  • 11 einen Teilschnitt durch das erfindungsgemäße Leistungsmodul ohne Hülle, und
  • 12 einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Leistungsmoduls,
  • 13 eine perspektivische Ansicht eines Leistungsmoduls entsprechend 12,
  • 14 einen Schnitt durch ein weiteres Ausfüh rungsbeispiel des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls,
  • 15a, 15b einen Längsschnitt durch ein Leistungsmodul mit Formkörper in zwei Varianten und
  • 16 einen Teilschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel des Einbaus des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls.
  • In 1a, 1b ist schematisch eine mögliche Ausführungsform eines Leistungsmoduls 1 perspektivisch und von vorn dargestellt, das quaderförmig in flacher Bauweise, d. h. mit geringer Bauhöhe ausgebildet ist. Nicht dargestellte elektronische Bauelemente, z. B. ein oder mehrere Halbleiterchips mit Leitungshalbleitern und gegebenenfalls Ansteuer-ICs, passive Bauelemente, Sensoren usw. befinden sich sandwichartig zwischen elektrisch isolierenden aber hochwärmeleitfähigen Schichten 4, 5. Diese Schichten sind bevorzugt die keramischen Kerne von DCB/DAB oder AMB-Substraten. Die Sandwichanordnung ist von einer dünnwandigen Hülle 2 aus einem bevorzugt metallischen Werkstoff umgeben und thermisch gut an die wärmeleitfähigen Schichten 4 und 5 angekoppelt. Die Hülle ist nach einer Schmalseite offen und ansonsten wasser- und/oder gasdicht.
  • Aus der offenen Schmalseite der Hülle 2 ragen die wärmeleitfähigen Schichten 4 und 5 mit elektrischen Anschlüssen 6a, 6b, 6c für eine elektrische Kontaktierung des innen liegenden Sandwichs bzw. der Bauelemente des oder der Halbleiterchips hervor, die in ihrer Anzahl nur beispielhaft angegeben sind. Um die offene Schmalseite herum ist eine kragenförmige Ausformung bzw. ein Flansch angeordnet, der beispiels weise in Verlängerung der Hülle 2 mittels Fliesspressens umformtechnisch hergestellt werden kann und der zur Abdichtung und Befestigung dient.
  • In 2 ist ein Querschnitt durch eine Leistungshalbleiteranordnung dargestellt, bei der das flache Leistungsmodul 1 schwertförmig in einen Kühlkanal 45 hineinragt, der von einer Umwandung 40 und einer Stirnwand 46 gebildet wird, wobei in der Stirnwand 46 eine schlitzartige Öffnung 41 vorgesehen ist, in die das Leistungsmodul 1 einsetzbar ist. Die Umwandung 40 kann Öffnungen für die Zufuhr und Abfuhr des vorzugsweise flüssigen Kühlmediums 42 aufweisen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Leistungsmodul 1 an der Stirnwand 46 mit Schrauben 44 befestigt, die den an die Hülle 2 angeformten Flansch 3 an der Stirnwand 46 festlegen, wobei eine Dichtung 43 vorgesehen ist, die ein Austreten des Kühlmittels 42 verhindert. Es sind selbstverständlich andere lösbare und nicht lösbare Verbindungstechniken, z. B. Kleben, Schweißen oder Löten für die Befestigung des Leistungsmoduls 1 denkbar. Das Leistungsmodul wird in dieser Weise vollständig vom Kühlmittel 42 umströmt, wobei die an der Schmalseite nach außen austretenden elektrischen Anschlüsse eine Kontaktierung des Leistungsmoduls 1 gestatten.
  • Der Kühlkanal 45 mit den Umwandungen 40, 46 kann auch ein Strukturelement eines übergeordneten Gesamtsystems sein, beispielsweise der wassergekühlte Motorblock eines Verbrennungsmotors oder der Kühlmantel um einen Elektromotor.
  • Die in 2 dargestellte Konstruktion entlastet den Modulaufbau weitgehend von äußeren mechanischen Kräften. Selbst geringe Verformungen der Grundstruktur, d. h., der Umwandungen 40, 46 führen zu keinen unzulässigen mechanischen Verspannungen des Moduls 1. Verformungskräfte, die über den Flansch 3 eingeleitet werden könnten, können durch eine geeignete Gestaltung des Flansches, z. B. durch eine umlaufende Sickenprägung, minimiert werden.
  • In 3 ist eine weitere Ausführung einer Leistungshalbleiteranordnung dargestellt, die Mittel zum Minimieren des Wärmeübergangswiderstandes zwischen der Hülle 2 des Leistungsmoduls 1 und dem Kühlmedium 42 aufweist. Diese Mittel können beispielsweise derart ausgebildet sein, dass die Kontaktfläche mit dem Kühlmedium vergrößert wird und/oder die Strömungsgeschwindigkeit erhöht wird und/oder der Turbulenzgrad der Kühlmittelströmung erhöht wird.
  • In 3 ist auf die Modulhülle ein offenporiger Metallschaum 50 aufgebracht, der zum einen für eine drastische Vergrößerung der die Wärme auf das Kühlmedium 42 übertragenden Oberfläche und zum anderen für eine Verbesserung des Wärmeübergangs durch Verwirbelung der Strömung sorgt. Alternativ zu dem Metallschaumkörper können zur Oberflächenvergrößerung auch andere Formteile, z. B. aus geprägter Metallfolie, aus einem Drahtknäuel oder aus Sintermaterial auf die Modulhülle 2 aufgebracht werden. Die Gesamtdicke eines Leistungsmoduls 1 einschließlich der Mittel zur Erhöhung des Wärmeübergangs 50 zu dem Kühlmedium kann auf diese Weise auf wenige Millimeter reduziert werden.
  • Das erfindungsgemäße Leistungsmodul 1 kann auch mit anderen bekannten Kühltechniken, wie Spraykühlung, Siedekühlung oder Jet-Kühlung einfach und effektiv kombiniert werden. Ebenso ist es möglich, Turbulenzkörper in den Kühlkanal einzubringen.
  • In 4a ist ein möglicher innerer Aufbau des Leistungsmoduls 1 am Beispiel eines als MOSFET-Halbbrücke ausgebildeten Halbleiterchip gemäß dem Schaltbild nach 4b dargestellt. Die elektrisch isolierenden, aber hoch wärmeleitfähigen Schichten 4, 5 bestehen hierbei aus beidseitig mit Metall, bevorzugt Kupfer beschichteten Keramiksubstraten, wie schon oben erwähnt. Die außen liegenden Metallschichten 8, 10 geben im Ausführungsbeispiel die Form der Außenflächen des Moduls vor und dienen zur thermischen Kopplung zwischen dem Kühlmedium, den wärmeleitfähigen Schichten 4, 5 und den eigentlichen Bauelementen. Die sich zwischen den beiden wärmeleitfähigen Schichten bzw. Substraten 4, 5 gegenüberliegenden Metallschichten sind entsprechend der zu realisierenden elektrischen Schaltung strukturiert. Im Beispiel bildet eine Metallinsel 11 den Drain-Anschluss des Highside-MOSFET 14, die Insel 7 den Wechselspannungsanschluss der Halbbrücke mit der Verbindung des Source-Anschlusses des Highside-MOSFET 14 mit dem Drain-Anschluss des Lowside-MOSFET 15, eine Insel 9 den Gate-Anschluss des Highside-MOSFET, eine Insel 12 den Source-Anschluss des Lowside-MOSFET 15 und eine Insel 13 den Gateanschluss des Lowside-MOSFET 15.
  • Bei allen Arten von steuerbaren Leistungshalbleitern ist auf der Chipoberseite mehr als ein Anschluss elektrisch zu kontaktieren, dies erfolgt vorteilhaft über an das Chip-Layout angepasste Kontaktflächen. Um die elektrische Feldverteilung im Bereich der Randstruktur speziell von vertikalen Leistungshalbleiterchips nicht zu stören, müssen Leiterbahnen auf der Chip-Oberseite die Chipränder in einem gewissen Abstand, der im Ausführungsbeispiel mit 19 bezeichnet ist, überqueren. Die dazu erforderliche, zu einer Mesa-ähnlichen Topografie führende Höhenstrukturierung der Substratmetallisierung kann durch alle Arten von strukturierenden Material auftragenden oder Material abtragenden Prozessen, wie Ätzen, Fräsen, Aufgalvanisieren, Dickschichttechnologie, usw., realisiert werden.
  • Elektrisch leitfähige Verbindungen 16, 17, 18 der als Halbleiterchip ausgebildeten MOSFETs 14, 15 mit den jeweiligen Kontaktinseln der Substratmetallisierung können mittels eines Löt- oder Sinterprozesses erfolgen, aber auch mittels Leitklebens. Auch eine Kombination unterschiedlicher Kontaktierungsprozesse ist möglich, z. B. Löten der als Rückseitenkontakt ausgebildeten elektrischen Verbindung 16 und Leitkleben der als Oberseitenkontakte ausgebildeten elektrischen Verbindungen 17, 18.
  • In der Ausführungsform nach 4a ist der Sandwichaufbau, bestehend aus den beiden Substraten 4, 5 und den innen liegenden Bauelementen, stoffschlüssig mit der Hülle 2 verbunden. Die Verbindung 20 zwischen der Substratmetallisierung 8, 10 und der Hülle 2 kann durch Löt-, Sinter- oder Klebeprozesse erfolgen. Bei der Anwendung von Klebeprozessen ist, wie auch bei der Chip-Kontaktierung auf geringe Schichtdicken zu achten und der Einsatz thermisch leitfähig gefüllter Kleber zu bevorzugen, um einen niedrigen Wärmewiderstand zwischen Chip und Modulhülle 2 zu erzielen. Vorteilhaft im Hinblick auf eine hohe Isolationsfestigkeit ist das gesamte Modul mit einem Verguss oder Füllmaterial 21 lunkerfrei oder mit einem Isoliergas oder teilweise mit einer Inertflüssigkeit ausgefüllt.
  • 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des Leis tungsmoduls 1. Gegenüber der Ausführung gemäß 4a erfordert diese Ausführung eine Höhenstrukturierung nur einer der Substratmetallisierungsebenen. Darüber hinaus liegen bei dieser Ausführungsform die Chipunterseiten aller Leistungshalbleiterchips 14, 15 auf der gleichen Seite, was Vereinfachungen bei der Bestückung und der Modul-Montage mit sich bringt. Nachteilig sind die je nach der zu realisierenden Verschaltung gegebenenfalls auch mehrfach erforderlichen Kontaktbrücken 28, an die, sofern sie modulintern unvermeidbar sind, erhöhte Anforderungen bezüglich der Dickengenauigkeit zu stellen sind. Ansonsten gilt das zu 4a Gesagte.
  • 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Leistungsmoduls 1. Einzelne Kontakte bzw. elektrische Verbindungen, beispielsweise zu Steueranschlüssen, Sensoren oder Signalelektronik, sind mittels klassischem Drahtbonden hergestellt. Dabei ist sowohl das Dünndraht-Bonden, z. B. mit Gold-Draht 22 als auch das Dickdraht-Bonden, z. B. mit dem Al-Draht 23 mit dem Modulkonzept vereinbar.
  • In 7 ist eine weitere Ausführungsform des Leistungsmoduls 1 dargestellt, bei der die hochwärmeleitfähige und elektrisch isolierende Schicht 5 aus 1 durch ein Füllmaterial 30 ersetzt ist. Als Füllmaterialien eignen sich Pulver aus hochwärmeleitfähigen elektrischen Isolierstoffen, wie z. B. Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Bornitrid, Siliciumcarbid oder Diamant, wobei diese Pulver mit organischen oder anorganischen Bindemitteln versehen sind bzw. in eine Matrix aus Kunststoff, wie Epoxidharz, eingebettet, sind. Das lunkerarme Verfüllen des Raums zwischen den schematisch dargestellten Leistungshalbleitern 31 und der metallischen Hülle 2 ist mittels bekannter Ver fahren, wie dem Kunststoff-Spritzgießen, dem Transfer-Molden oder dergleichen herstellbar. Die elektrische Verbindung der Bauteile untereinander ist beispielhaft durch einen Bonddraht 32 dargestellt.
  • In einer weiteren Ausführungsform nach 8 formt das wärmeleitfähige, elektrisch isolierende und gegen das Kühlmedium dichte Füll- oder Verkapselungsmaterial 30 selbst die Außenfläche des Leistungsmoduls. Auch hier ist eine flanschartige Ausformung 73 zur Abdichtung des Kühlkanals vorgesehen, die zusätzliche Dichtmittel, wie eine O-Ring-Nut oder dergleichen umfasst. Als Dampfsperre gegen das Eindringen von Feuchtigkeit kann die Außenfläche zusätzlich mit einer, vorteilhaft hauchdünnen, Metallisierung 72 versehen sein.
  • In 9 ist die Möglichkeit zur Systemintegration des Leistungsmoduls 1 bzw. der Leistungshalbleiteranordnung dargestellt. Im Bereich des Flansches 3 ist eine Leiterplatte 33 über die Schrauben 44 an der Stirnwand 46 des Kühlkanals 45 angebracht, die Leiterbahnen 34 und elektronische Bauelemente 35 umfasst. Die elektronische Schaltung auf dieser Leiterplatte 33 realisiert beispielsweise die Ansteuerung für die Leistungshalbleiter. Auf diese Weise sind besonders kurze und niederinduktive Verbindungen zwischen der Ansteuerelektronik und den Leistungshalbleitern möglich. Die Kontaktierung 36 zwischen der Leiterplatte 33 und den elektrischen Anschlüssen 6 des Moduls 1 kann mittels Drahtbondens, angelöteten Drähten oder Kontaktfedern erfolgen.
  • In Erweiterung der Ausführung nach 9 ist in 10 eine Variante mit integriertem Zwischenkreiskondensator 39 dargestellt. Der Kondensator 39 ist dabei vorteilhaft als Folien-Flachwickel ausgeführt. Durch diese Anordnung direkt am Kühlkanal 45 kann auch der Kondensator 39 thermisch gut an den Kühlkreislauf angekoppelt werden.
  • 11 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des Leistungsmoduls 1 bzw. der Leistungshalbleiteranordnung. Die Abdichtung des Moduls 1 gegen das Kühlmedium 42 wird in dieser Ausführungsform nicht durch eine das Modul umgebende metallische Hülle 2 realisiert, sondern die Schichtanordnung, bestehend aus Substraten 4, 5 und Metallisierungsschicht 8, 10 bilden die Außenflächen mit den großen Abmessungen des Moduls und die Schmalseiten des Moduls werden durch einen umlaufenden Steg 60 gebildet, der durch eine Strukturierung der Substratmetallisierungen erzeugt wird und die jeweils stegartigen Substratmetallisierungen werden zusammengefügt, wobei gegebenenfalls eine Höhenausgleichsschicht 61 vorgesehen wird. Das Verbinden der stegartigen Strukturierung wird durch Löten, Kleben oder Sintern vorgenommen. Vorteilhaft ist der Steg 60 nicht mit spannungsführenden Metallstrukturen im Inneren des Moduls verbunden und besitzt ausreichenden Isolationsabstand von allen spannungsführenden Metallstrukturen. Damit ist eine Potentialfreiheit des Moduls vom Kühlmedium gegeben. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann ein umlaufender Flansch 3 vorgesehen sein, der durch einen Fügeprozess dichtend am Modulsandwich angebracht ist.
  • In 12 ist eine weitere Möglichkeit der Abdichtung der Schichtanordnung dargestellt, wobei kein umlaufender Steg vorhanden ist, sondern ein – vorzugsweise metallisches – umlaufendes Band 90 bzw. eine umlaufende Kappe vorgesehen ist, das bzw. die gas dicht 91 mit den Außenseiten-Metallisierungen 8, 10 verbunden ist. Wie zu erkennen ist, ist das Band 90 mit Ausformungen versehen, die mögliche mechanische Spannungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der Materialien des Sandwich verringern.
  • Das umlaufende Band 90 ist durch einen Umformprozeß, z. B. durch Tiefziehen, aus einem Bleichteil hergestellt. Dabei ist, wie auch aus 13 zu erkennen ist, der Flansch 3 mit angeformt.
  • Die gasdichte Verbindung 91 wird durch Schweißen, z. B. Laserschweißen, Löten, Kleben oder dergleichen hergestellt. 14 zeigt eine Variante des Leistungsmoduls in Sandwichbauweise, wobei die außen liegenden Metallschichten 8, 10 überstehen, verformt und miteinander über eine gasdichte Verbindung 81, die wiederum durch Schweißen, z. B. Kalt- oder Warmschweißverfahren, Löten oder Bördeln, herstellbar ist, verbunden sind.
  • IN den 15a und 15b sind Varianten zu der Ausführungsform nach 3 dargestellt. Die Mittel zur Erhöhung des Wärmeübergangs 50 sind hier als Formkörper ausgebildet, der mittels eines Metall-Spritzgießprozesses auf die Hülle 2 (15a) oder die Außenflächen 8, 10 des Sandwich aufgebracht ist. Damit können nicht nur Verrippungen, sondern auch offenporige Metallschaumstrukturen erzeugt werden.
  • In 15b weist der Formkörper 50 ortsabhängige Porositäten auf, wobei die Porosität im Bereich des Flansches 3 und des Modul-Sandwiches vorteilhafterweise auf Null reduziert, d. h. Vollmaterial 51 ist, wodurch der Spritzgieß-Formkörper 50 neben seiner Wärmetauscherfunktion auch Funktionen des Flansches und der Abdichtung übernimmt.
  • 16 zeigt eine mögliche Ausführungsform für die Kontaktierung externer Stromzuführungen an die Laststromanschlüsse. Dazu ist ein metallisches Anschlusselement in einen elektrisch isolierenden Anschlussblock eingelassen. Eine oder mehrere Kontaktfedern kontaktieren die aus dem Modul ragenden Laststromanschlüsse. Eine Gegenfeder sorgt vorteilhaft für einen Kräfteausgleich und damit für eine mechanische Entlastung des aus dem Modul ragenden Teils des Keramiksubstrats.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • - WO 2004/008618 A2 [0006]

Claims (27)

  1. Leistungsmodul mit mindestens einem auf einem Substrat angeordneten Halbleiterchip mit nach außen geführten elektrischen Anschlüssen, dadurch gekennzeichnet, dass der auf dem Substrat angeordnete Halbleiterchip und teilweise die Anschlüsse mit gut wärmeleitendem, elektrisch isolierendem und nach außen abdichtendem Material (4, 5, 8, 10, 2, 30) thermisch eng gekoppelt sind, das um den Halbleiterchip mit Substrat derart ausgebildet ist, dass sich ein Flachbaukörper ergibt, der bis auf die Seite mit den nach außen geführten Kontakten mit einem Kühlmedium koppelbar sind.
  2. Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Halbleiterchip zwischen zwei wärmeleitfähigen elektrisch isolierenden Schichtanordnungen, die das Trägersubstrat des Halbleiterchips umfassen, sandwichartig angeordnet sind, wobei die Außenflächen der Schichtanordnungen mit dem Kühlmedium koppelbar sind.
  3. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der auf dem mindestens einen Trägersubstrat angeordnete Halbleiterchip in einem wärmeleitfähigen, elektrisch isolierenden Füllmaterial (21, 30) eingebettet ist.
  4. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine ebenfalls gut wärmeleitende dünnwandige Hülle (2) vorgesehen ist, die das die Bauelemente einfassende wärmeleitende Material übergreift, wobei die Hülle (2) an einer Schmalseite für den Durchgriff der elektrischen Anschlüsse (6) offen ist.
  5. Leistungsmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (2) Wasser- und/oder gasdicht ist.
  6. Leistungsmodul nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle aus einem metallischen Werkstoff besteht.
  7. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (2) aus einem Metallblech besteht, das durch ein Umformverfahren, wie Tiefziehen oder dgl. hergestellt ist.
  8. Leistungsmodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (30) als gegen ein Kühlmedium dichtes Verkapselungsmaterial ausgebildet ist, dessen Außenflächen direkt mit dem Kühlmedium (42) in Kontakt bringbar sind.
  9. Leistungsmodul nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf den dem mindestens einen Halbleiterchip zugewandten Flächen der Schichtanordnungen des Sandwichaufbaus dichtend miteinander verbundene umlaufende Stege (60) angeordnet sind, die die Bauelemente nach außen abdichten.
  10. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachbaukörper im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet ist.
  11. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an der Seite der nach außen geführten elektrischen Anschlüsse (6) ein umlaufenden Dichtungs- und/oder Befestigungsflansch (3) vorgesehen ist.
  12. Leistungsmodul nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der umlaufende Flansch (3) einstückig an die Hülle (2) angeformt ist.
  13. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer oder mehreren von einem Kühlmedium (42) kontaktierbaren Seiten Außenflächen Strukturen (50) zur Oberflächenvergrößerung und Verringerung des Warmeübergangs angeordnet sind.
  14. Leistungsmodul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen (50) aus Metallschaum, geprägten und/oder offenporigen Formkörpern aus gut wärmeleitendem Material oder dergleichen bestehen.
  15. Leistungsmodul nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (50) durch Umspritzen der Schichtanordnungen hergestellt ist.
  16. Leistungsmodul nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die spritzgegossene Struktur als Abdichtung gegen das Kühlmedium ausgebildet ist.
  17. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die spritzge gossene Struktur den umlaufenden Flansch (3) umfasst.
  18. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels eines Metall-Spritzgiessverfahrens hergestellte Struktur (50) offenporige Körper mit variabler Porosität umfasst.
  19. Leistungsmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtanordnungen metallische Außenflächen (8, 10) und Substrate (4,5) umfassen, wobei die metallischen Außenflächen über die Substratflächen überstehen und durch Verformung gegen das Kühlmedium abdichtend miteinander verbunden sind (81).
  20. Leistungsmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtanordnungen metallische Außenflächen (8, 10) und Substrate (4,5) umfassen und dass ein umlaufendes Band (91) mit den metallischen Außenflächen stoffschlüssig (91) verbunden ist.
  21. Leistungsmodul nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das umlaufende Band (90) mit dem umlaufenden Flansch (3) aus einem Teil hergestellt ist.
  22. Leistungsmodul nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Teil (3, 90) mittels Umformverfahren aus einem Metallblech hergestellt ist.
  23. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Band (90) eine Ausformung (92) zur Reduzierung von mechanischen Spannungen umfasst.
  24. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass neben den mindestens einen Halbleiterchip weitere Bauelemente, wie passive Bauelemente, mindestens einen Stromsensor, einen Temperatursensor, Bauelemente für die Ansteuerung der Leistungshalbleiter eingeschlossen sind.
  25. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Durchführung der elektrischen Anschlüsse (6) ein Schaltungsträger (33) mit elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen (35, 39) angeordnet ist.
  26. Leistungshalbleiteranordnung mit einem Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsmodul (1) in einen Kühlkanal (45) eingesetzt ist, in dem ein gasförmiges oder flüssiges Kühlmedium (42) geführt wird.
  27. Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsmodul (1) schwertartig in den Kühlkanal (45) eingesetzt ist und dass der umlaufende Flansch (3) den Kühlkanal (45) nach außen abdichtet.
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