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Die
Erfindung betrifft ein leistungselektronisches Modul nach dem Oberbegriff
des Hauptanspruchs.
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Das
Packaging leistungselektronischer Bauelemente wird als eine der
Schlüsseltechnologien
zur Erhöhung
der Integrationsdichte angesehen. Leistungselektronische Bauelemente
bzw. Chips sind jedoch vertikale Bauelemente, deshalb ist es für den Betrieb
notwendig, beide Chipseiten elektrisch zu kontaktieren. Aufgrund
der hohen elektrischen Leistung, die in den Bauelementen geschaltet
wird, sind die elektrischen Kontakte und Verbindungen der Bauelemente
für hohe
Ströme
zu dimensionieren und ausreichende Abstände zwischen den unterschiedliches
Potential führenden
Verbindungen bzw. Isolationsmaterialien vorzusehen. Zudem besteht aufgrund
der in den Bauelementen umgesetzten Verlustleistung ein sehr großer Entwärmungsbedarf.
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Aufgrund
der beschriebenen Randbedingungen werden leistungselektronische
Bauelemente derzeit auf ein einseitig oder beidseitig mit einer
Kupferschicht versehenes Substrat, vorzugsweise Keramik (DCB-Keramik – direct
copper bonding-Keramik) gelötet
und anschließend
auf der Oberseite mittels Dickdrahtbonds miteinander und mit der
Kupferschicht bzw. den nach außen
führenden
Anschlussfahnen kontaktiert. Der Nachteil einer solchen Anordnung
liegt darin, dass wegen der Bonddrähte keine Entwärmung über die
Oberseite möglich
ist. Auch lässt
sich eine Erhöhung
der Integrationsdichte durch eine eventuelle Erweiterung in der
dritten Dimension nicht realisieren.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrund ein leistungselektronisches
Modul oder Bauelement zu schaffen, das eine gute Abführung der durch
die hohe elektrische Leistung entstehenden Wärme gestattet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den
Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
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Dadurch,
dass der mindestens ein Halbleiterelement aufweisende Halbleiterchip
und die zugeordneten elektrischen Leitungen in einer thermisch gut
leitfähigen
Keramik-Umhüllung
aufgenommen sind, die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
aufweist, der im Wesentlichen dem Ausdehnungskoeffizienten des mindestens
einen (siliziumbasierenden) Halbleiterchip entspricht, ist es einerseits
möglich,
die von dem Halbleiterchip erzeugte Wärme durch den vorzugsweise
direkten Kontakt mit der Keramik-Umhüllung nach außen abzuführen, wobei
trotz großer
Temperaturhübe
innerhalb des Modul keine große
thermomechanische Belas tung entsteht, da die Keramik-Umhüllung mit
den metallischen elektrischen Leitungen im Wesentlichen den gleichen thermischen
Ausdehnungskoeffizient wie das Silizium des mindestens einen Halbleiterchips
des Moduls aufweist.
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Durch
die Umhüllung
des mindestens einen Halbleiterchips mit den elektrischen Leitungen
mit einer Keramik lässt
sich der Chip von fünf
der sechs Seiten, vor allem aber von der Ober- und der Unterseite,
kühlen.
Dieses beidseitige Kühlen
erlaubt es, die Halbleiterelemente hinsichtlich ihrer elektrischen Schaltleistung
deutlich besser auszunutzen, da bisher die Auslegung leistungselektronischer
Systeme sich ausschließlich
an der entstehenden und abführbaren
Verlustleistung orientiert.
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Das
erfindungsgemäße leistungselektronische
Modul lässt
sich wie alle anderen Bauelemente handhaben und ist damit deutlich
einfacher zu verbauen. Es ist möglich
mehrere Module in sehr dichter Anordnung, z. B. auch in einem flüssigen Kühlmedium
zu betreiben.
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Durch
die in den Unteransprüchen
angegebenen Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
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Besonders
vorteilhaft ist, dass die Keramik-Umhüllung aus zwei im Wesentlichen
plattenförmigen
Teilen gebildet ist, zwischen denen der mit ebenen Flächen ausgebildete
mindestens eine Halbleiterchip und die flach ausgebildeten elektrischen Leitungen
angeordnet sind und dass die plattenförmigen Teile unter Umschließung des
mindestens einen Halbleiterchips und der elektrischen Leitungen
mechanisch miteinander verbunden sind. Durch die Zweiteilung der
Keramik- Umhüllung wird
der Herstellungsprozess des erfindungsgemäßen leistungselektronischen
Moduls erheblich vereinfacht.
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Vorteilhaft
ist, wenn zwischen den plattenförmigen
Teilen ein oder mehrere Abstandshalter angeordnet sind, die die
Höhe bzw.
Dicke des mindestens einen Halbleiterchips mit den elektrischen
Leitungen aufweisen. Auf diese Weise können die genannten Bauelemente
ohne Verspannungen oder dergleichen innerhalb der Umhüllung aufgenommen
werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der oder die
Abstandshalter als Metallsstruktur beispielsweise als U-förmige Cu-Struktur
ausgebildet, allerdings kann der Abstandshalter selbst aus Keramik
bestehen und einstückig
mit den plattenförmigen
Teilen verbunden sein.
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Vorteilhafterweise
können
sowohl die elektrischen Leitungen als auch der mindestens eine Halbleiterchip
durch Sintern befestigt werden und auch die plattenförmigen Teile
können
Sintern miteinander verbunden werden. Damit wird eine vollständige Umschließung des
Halbleiterchips mit den Leitungen durch zwei Keramikplättchen oder
-Schalen erreicht, die durch den Sinterprozess dauerhaft miteinander verbunden
sind. Durch eine vollständige
Umhüllung des
mindestens einen Halbleiterchips ist er gegen äußere Umgebungseinflüsse geschützt.
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Der
mindestens eine Halbleiterchip und die elektrischen Leitungen sowie
die plattenförmigen
Teile können
auch durch Löten
oder mittels eines Klebers, der gegebenenfalls auch leitfähig ist,
untereinander verbunden werden, wobei auch "Mischformen" denkbar sind. Des Weiteren können die
beiden plattenförmigen
Teile auch miteinander durch Kleben verbunden werden, wobei gleichzeitig
der Chip mit den elektrischen Leitungen nur eingelegt, also nicht weiter
fixiert wird. Bei Verwendung von Lot oder Kleber kann gegebenenfalls
auf die Abstandshalter verzichtet werden. Das Lot und gegebenenfalls
der Kleber zwischen den verschiedenen Bestandteilen können auch
zur zusätzlichen
Entlastung als Puffer bei entstehenden thermomechanischen Belastungen dienen.
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In
vorteilhafter Weise können
zusätzliche metallische
Elemente in die Umhüllung
eingebracht werden, wodurch sich die Umhüllung in der Stabilität und/oder
die Entwärmung
gezielt beeinflussen lässt.
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Das
erfindungsgemäße leistungselektronische
Modul kann in einem beispielsweise zweigeteilten Kühlkörper aufgenommen
sein. Bei dem zweiteiligen Kühlkörper umschließt dieser
das erfindungsgemäße Modul
und klemmt es ein. Daher kann die Notwendigkeit den Chip wirklich
zu befestigen entfallen, da der Kühlkörper für den notwendigen Anpressdruck
sorgt. Der Kühlkörper kann
eine Wasserkühlung
und/oder eine Luftkühlung
oder der dergleichen umfassen. Es können mehrere Module in Kaskade
im Kühlkörper angeordnet
werden.
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Bei
einer vorteilhaften optimalen Abstimmung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des
auf Silizium basierenden Halbleiterchips und der Keramik-Umhüllung kann
in der elektrischen Verbindung auf das Lot verzichtet werden. Dadurch
wird sowohl der elektrische als auch der thermische Übergangswiderstand
zwischen Halbleiterchip und elektrischen Leitungen eliminiert bzw.
wesentlich verringert.
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Schließlich kann
das erfindungsgemäße Modul
wie gewöhnliche
Bauteile, d. h. unter normalen Bedingungen ohne die Notwendigkeit
eines Reinraums verarbeitet werden. Aufgrund seiner kompakten Umhüllung kann
das Modul in allen Lagen, d. h. sowohl stehend, liegend oder am
Rand hängend
auf einer normalen Leiterplatte montiert werden.
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Vorteilhafterweise
können
mehrere erfindungsgemäße Module
zu einem Umrichter verschaltet werden, wobei die so verschalteten
Module von einem Kühlkörper, bestehend
aus einem oder mehreren Teilen, umgriffen werden können.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Es zeigen
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1 ein
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Moduls
in perspektivischer Darstellung,
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2 eine
Explosionsdarstellung des erfindungsgemäßen Moduls nach 1 und
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3 eine
Aufsicht auf ein plattenförmiges Teil
mit Halbleiterchip und elektrischen Verbindungen des erfindungsgemäßen Moduls.
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In 1 ist
perspektivisch und teilweise in transparenter Weise ein leistungselektronisches
Modul 1 dargestellt, das einen eingebetteten Halbleiterchip 2 aufweist,
der hier nicht im Einzelnen dargestellt ist, aber beispielsweise
eine leistungselektronische Schaltung mit sechs IGBT-Transistoren
und sechs Dioden umfasst, die miteinander verschaltet sind, wobei
nur wenige Kontakte für
die elektrische Umgebung nach außen geführt werden müssen. Der Halbleiterchip 2 ist
auf einer Kontaktplatte 3 montiert, wobei sowohl der Halbleiterchip
als auch die Kontaktplatte 3 ebene Flächen haben, die eine Montage
ermöglicht.
Der Halbleiterchip 2 ist an der der Kontaktplatte 3 entgegengesetzten
Seite mit als Metallstreifen ausgebildeten elektrischen Leitungen 4, 5 verbunden,
die näher
in 2 zu erkennen sind. Der Halbleiterchip 2 und
teilweise die elektrischen Leitungen sind in eine Keramikumhüllung 6 eingebettet, wobei
ein Teil der streifenförmigen
elektrischen Leitungen 4, 5 und der Kontaktplatte 3 als
Kontakte zur Ansteuerung der im Halbleiterchip 2 vorhandenen leistungselektronischen
Schaltungen nach außen
geführt
sind. Die keramische Umhüllung 6 hat
im Wesentlichen den gleichen Ausdehnungskoeffizient wie der Halbleiterchip 2,
der im Wesentlichen auf Silizium basiert. Für die keramische Umhüllung 6 kann
auf Materialien zurückgegriffen
werden, die bei DCB-Substraten eingesetzt werden.
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In 2 sind
die einzelnen Teile des Moduls getrennt dargestellt, wobei die gleichen
Bezugszeichen wie in 1 verwendet werden. Die Keramikumhüllung besteht
aus zwei plattenförmigen
Teilen 7, 8, die als Oberseite und als Unterseite 8 dienen und
die im vorliegenden Ausführungsbeispiel
eine plane Oberfläche
auf den den einzuschließenden Bauteilen
zugewandten Seiten aufweisen. Auf die beiden Seiten 7, 8 werden
die elektrischen Leitungen 4, 5 bzw. die Kontaktplatte 3 aufgebracht, ähnlich wie bei
DCB-Strukturen die
Cu-Oberfläche.
Zusätzlich
zu der Darstellung nach 1 sind auf beiden Innenflächen der
plattenförmigen
Teile 7, 8 in der Nähe der jeweiligen Ränder U-förmige Kupferstrukturen 9 als Abstandshalte
aufgebracht, die zusammen eine Dicke aufweisen, die durch den Halbleiterchip 2 und
die elekt rischen Leitungen 4, 5 sowie die Kontaktplatte vorgegeben
ist. An der Seite, an der die Kontakte nach außen geführt sind, ist die U-förmige Struktur 9 offen.
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Die
Verbindung der beiden Keramikteile 7, 8 mit dem
Halbleiterchip 2 sowie der Kontaktplatte 3 und
den streifenförmigen
elektrischen Leitungen 4, 5 erfolgt in einem Ausführungsbeispiel
des Verfahrens über
einen Sinterprozess. Dabei wird in einem ersten Schritt der Halbleiterchip 2 mit
der Kontaktplatte 3 auf die Unterseite, d. h. in 2 die
untere Keramikplatte 8 mittels Sintern montiert. Danach
kann die Unterseite 8 mit dem Chip 2, 3 umgedreht
und auf die obere Keramikplatte, ebenfalls mittels Sintern montiert
werden. Im zweiten Prozessschritt wird darüber hinaus die Unter- und die
Oberseite im Sinterverfahren miteinander verbunden. Die U-förmigen Strukturen 9 zur Verbindung
der Keramikteile 7, 8 (DCB-Keramiken) gleichen
die Höhe
des Halbleiterchips 2 aus, d. h. sie sind um die Chipdicke
stärker
als die zur Stromleitung aufgebrachten Elemente 3, 4, 5.
Grundsätzlich können die
oben erwähnten
beiden Prozessschritte auch in einem Schritt erfolgen, allerdings
ist diese Technik anspruchsvoller.
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Im
Ergebnis entsteht der Aufbau, wie er in 1 dargestellt
ist, lediglich die Keramikhülle 6 besteht
aus zwei Hälften 7, 8,
die miteinander versintert zu einer Hülle geworden sind.
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In 3 ist
nochmals die Aufsicht des teilweise zusammengesetzten Moduls 1 dargestellt,
wobei das obere plattenförmige
Teil 7 entfernt ist.
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Im
beschriebenen Ausführungsbeispiel
werden die einzelnen Bauteile mit der Keramik-Umhüllung durch
Sin tern verbunden und auch die plattenförmigen Teile werden zusammengesintert.
Es ist aber auch denkbar, dass die jeweiligen Verbindungen über ein
Lot und/oder über
einen Kleber erzielt werden können.