DE102007012154A1

DE102007012154A1 - Halbleitermodul mit Halbleiterchips und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102007012154A1
Application number: DE102007012154A
Authority: DE
Inventors: Ralf Dipl.-Phys. Dipl.-Ing. Otremba
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2007-03-12
Filing date: 2007-03-12
Publication date: 2008-09-25
Anticipated expiration: 2027-03-13
Also published as: DE102007012154B4; US20080224300A1; US7880288B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleitermodul (1) mit Halbleiterchips (4, 5) und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Das Halbleitermodul (1) weist mindestens zwei Halbleiterchips (4, 5) mit wenigstens einer ersten und einer zweiten Elektrode (12, 13) auf ihren ersten Seiten auf. Ferner weisen die Halbleiterchips (4, 5) jeweils eine dritte Elektrode (14) auf ihren zweiten Seiten (16) auf. Eine Chipanordnung innerhalb des Halbleitermoduls (1) ist derart vorgesehen, dass die Elektroden (12, 13) auf den ersten Seiten der Halbleiterchips (4, 5) zu einer zweiten Seite des Halbleitermoduls (1) und die dritten Elektroden (14) auf deen zweiten Seiten (16) der Halbleiterchips (4, 5) zu einer ersten Seite des Halbleitermoduls (1) ausgerichtet sind. Dazu sind Außenanschlüsse (19, 20) auf der zweiten Seite des Halbleitermoduls (1) mit den Elektroden (12, 13) der ersten Seiten direkt gekoppelt und Verbindungselemente (22) koppeln elektrisch die dritten Elektroden (14) mit entsprechenden Außenanschlüssen (21).

Description

Erfindungshintergrund
Die Erfindung betrifft ein Halbleitermodul mit Halbleiterchips und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Dazu weist das Halbleitermodul mindestens zwei Halbleiterchips auf, die auf ihren Oberseiten wenigstens eine erste und eine zweite Elektrode aufweisen und auf ihren Rückseiten eine dritte Elektrode besitzen, welche nahezu die gesamte Rückseite bedeckt.
Derartige Halbleiterchips werden in Halbleitermodulen mit ihren Elektroden der Rückseite auf Halbleiterchipinseln aus Flachleitermaterial fixiert, während die Elektroden der Oberseite kostenintensiv und technisch aufwendig über entsprechend viele und teilweise auch unterschiedliche Verbindungselemente innerhalb des Halbleitermoduls mit Außenanschlüssen verbunden werden.
Auch ist es möglich, derartige Halbleiterchips zu stapeln, wobei der gestapelte Halbleiterchip mit seiner dritten Elektrode auf seiner Rückseite auf die erste Elektrode der Oberseite eines Basishalbleiterchips des Stapels fixiert wird, während auf die zweite Elektrode der Oberseite des Basishalbleiterchips über ein Verbindungselement von einem Außenanschluss aus zugegriffen werden kann.
Üblicherweise werden jedoch die zwei Halbleiterchips mit ihren Elektroden der Rückseiten auf entsprechenden elektrisch getrennten Flachleitern nebeneinander fixiert, wobei auch Anordnungen bekannt sind, bei denen ineinander greifende Kontaktbügel bzw. Clips die Verbindung der Elektroden der Oberseite mit entsprechenden Außenanschlüssen ermöglichen. Die Außenanschlüsse können bei den bekannten Halbleitermodulen als oberflächenmontierbare Kontaktflächen auf der Unterseite der Halbleitermodule angeordnet sein oder sie stehen seitlich aus einem Gehäuse heraus oder sind zusätzlich von den Randseiten der Halbleitermodule aus kontaktierbar. Dabei sind die dritten Elektroden auf den Rückseiten der Halbleiterchips in Richtung auf die Unterseite des Halbleitermoduls ausgerichtet und auf Außenanschlüssen fixiert und die Elektroden der Oberseite sind zur Oberseite des Halbleitermoduls ausgerichtet.
Anstelle von Flachleitern für die Aufnahme, Fixierung und den elektrischen Anschluss der dritten Elektroden können auch mit leitenden Materialien kaschierte Substrate eingesetzt werden, wobei Durchkontakte durch die Substrate zu entsprechenden Außenkontaktflächen auf der Unterseite der Halbleitermodule einen Zugriff auf die dritten Elektroden der Halbleiterchips ermöglichen und entsprechende Kontaktbügel die ersten und zweiten Elektroden der Oberseite mit dem Substrat verbinden. Auch in diesen Fällen sind die dritten Elektroden zur Unterseite des Halbleitermoduls ausgerichtet und die Elektroden der Oberseite der Halbleiterchips zeigen zu der Oberseite des Halbleitermoduls.
Häufig werden auch MOSFET-Halbleiterchips mit elektronischen Steuerchips zu Halbleitermodulen kombiniert, wobei die dritte Elektrode der Halbleiterchips zu der Unterseite des Halbleitermoduls ausgerichtet ist und zwischen als Außenanschlüssen angebrachten Lotkugeln auf der Unterseite des Halbleitermoduls zusätzlich der Steuerchip angeordnet ist. Darüber hinaus sind Halbleiterbrücken und Vollbrückenschaltungen für KFZ-Bordnetze als Halbleitermodule bekannt, die ebenfalls davon ausgehen, dass die Halbleiterchips mit ihren dritten Elektroden auf ihren Rückseiten zur Unterseite des Halbleitermoduls ausgerichtet sind. Dazu müssen aufwendige Konstruktionen zum Anschluss der auf der Oberseite der Halbleiterchips angeordneten ersten und zweiten Elektroden in Kauf genommen werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Halbleitermodul mit Halbleiterchips sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben. Das Halbleitermodul weist mindestens zwei Halbleiterchips mit wenigstens einer ersten und einer zweiten Elektrode auf ihren ersten Seiten auf. Ferner weisen die Halbleiterchips jeweils eine dritte Elektrode auf ihren zweiten Seiten auf. Eine Chipanordnung innerhalb des Halbleitermoduls ist derart vorgesehen, dass die Elektroden auf den ersten Seiten der Halbleiterchips zu einer zweiten Seite des Halbleitermoduls und die dritten Elektroden auf den zweiten Seiten der Halbleiterchips zu einer ersten Seite des Halbleitermoduls ausgerichtet sind. Dazu sind Außenanschlüsse auf der zweiten Seite des Halbleitermoduls mit den Elektroden der ersten Seiten direkt gekoppelt und Verbindungselemente koppeln elektrisch die dritten Elektroden mit entsprechenden Außenanschlüssen.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 zeigt eine schematische Schaltung eines Halbleitermoduls einer Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Halbleitermodul gemäß 1;
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Halbleitermodul gemäß 1;
4 zeigt eine schematische Schaltung eines Halbleitermoduls einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
5 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Halbleitermodul gemäß 4;
6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Halbleitermodul gemäß 4;
7 zeigt eine schematische Schaltung eines Halbleitermoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
8 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Halbleitermodul gemäß 7;
9 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Halbleitermodul gemäß 7.
Detaillierte Beschreibung der Figuren
1 zeigt eine schematische Schaltung eines Halbleitermoduls 1 einer Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser erfin dungsgemäßen Montagevariante wird eine Schaltungsanordnung mit kreuzverschaltetem Gate-Drain-Verbindungen von zwei sekundärseitigen Power-MOSFETs verwirklicht, wobei die Chiprückseiten-Potentiale über Kontaktclips mit Kleber-, Weich- oder Diffusionslot-Verbindung umverdrahtet werden können. Dazu weist die Schaltung zwei n-Kanalleistungstransistoren T₁ und T₂ des MOSFET-Typs auf, die miteinander kreuzverschaltet für einen AC/DC-Konverter oder einen DC/DC-Konverter sind. Bei dieser Kreuzverschaltung ist die Gateelektrode G₁ des ersten Transistors T₁ mit der Drainelektrode D₂ des zweiten Transistors T₂ elektrisch verbunden. Während die beiden Sourceelektroden S₁ des ersten Transistors 34 und S₂ des zweiten Transistors 35 gemeinsam auf einem 0 V-Potential liegen, ist die Drainelektrode D₁ an das Versorgungspotential V_D angeschlossen und mit der Gateelektrode G₂ des zweiten Transistors 35 elektrisch zusammengeschaltet. Diese kreuzverschaltete Schaltungsanordnung wird nun mit Hilfe des erfindungsgemäßen Grundgedanken in einem Multi-Chip-Modul (MCM) für die Applikation „Strom- und Spannungsversorgung" durch Integration entsprechender elektronischer Bauteilkomponenten unter Vereinfachung der Fertigungsmöglichkeiten verwirklicht.
Mittels der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Multi-Flipchip-Montage werden die beiden Leistungsbauelemente, nämlich die Transistoren T₁ und T₂, in einem Bauteil geflipt montiert. Damit wird eine Erhöhung der Integration bei gleichzeitiger Verbesserung des Kosten-Nutzenverhältnisses der Verbindungstechnologie ermöglicht, da nur noch jeweils eine einzige Leistungselektrode als dritte Elektrode auf der Chiprückseite mittels eines Verbindungselements aus Bonddrähten oder Kontakt-Clips umzuverdrahten ist. Dabei wird die Flipchip-Montage beispielsweise über Kupferpfeiler als Flipchipkontakte mit Diffusionslot für die Leistungstransistoren dem Multi chipmodul unter Nutzung unterschiedlicher Kontaktelemente wie Bonddrähte oder Kontaktclips zur Verbindung der unterschiedlichen Rückseitenpotentiale eingesetzt. Dabei entsteht ein Halbleitermodul 1, wie es die 2 und 3 zeigen.
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Halbleitermodul 1 gemäß 1. Dieses Halbleitermodul 1 weist mindestens zwei Halbleiterchips 4 und 5 mit wenigstens einer ersten und einer zweiten Elektrode 12 und 13 auf ihren ersten Seiten, die in dieser Ausführungsform die Oberseiten 15 sind, auf. Ferner weisen die Halbleiterchips 4 und 5 jeweils eine dritte Elektrode 14 auf ihren zweiten Seiten, die in dieser Ausführungsform die den Oberseiten 15 gegenüberliegenden Rückseiten 16 sind auf. Eine Chipanordnung innerhalb des Halbleitermoduls 1 ist derart vorgesehen, dass die Elektroden 12 und 13 auf den Oberseiten der Halbleiterchips 4 und 5 zu einer zweiten Seite des Halbleitermoduls 1, die in dieser Ausführungsform die Unterseite 17 ist, und die dritten Elektroden 14 auf den Rückseiten 16 der Halbleiterchips 4 und 5 zu einer ersten Seite des Halbleitermoduls ausgerichtet sind. Dazu sind Außenanschlüsse 19 und 20 auf der Unterseite des Halbleitermoduls mit den Elektroden 12 und 13 der Oberseiten direkt gekoppelt und Verbindungselemente 22 koppeln elektrisch die dritten Elektroden 14 mit entsprechenden Außenanschlüssen 21.
Um dieses zu verdeutlichen, ist in 2 die Kunststoffgehäusemasse weggelassen, und strichpunktierte Linien 55 kennzeichnen lediglich die Randseiten 27, 28, 29 und 30 des Halbleitermoduls 1. Das Halbleitermodul 1 weist auf seiner Unterseite die Außenanschlüsse 19 für 0 V, 20 für 12 V und 21 als EIN/AUS-Anschluss auf. Um die kreuzverschaltete, in 1 gezeigte Schaltungsanordnung zu verwirklichen, ist der erste Transistor T₁ als erster Halbleiterchip 4 ausgeführt und mit seinen Sourceelektroden S₁ direkt auf dem als streifenförmiger Außenkontaktblock 23 ausgeführten Außenanschluss 19 in Flipchiptechnik montiert. Die ebenfalls auf der ersten Seite des ersten Halbleiterchips 4 mit einem Flipchipkontakt ausgestattete Gateelektrode G₁ bzw. zweite Elektrode 13 ist auf dem Außenanschluss EIN/AUS des Halbleitermoduls 1 fixiert, da sie mit der Drainelektrode D₂ des zweiten Halbleiterchips 5 gemäß Schaltungsanordnung der 1 elektrisch gekoppelt ist. Bei dieser Ausführungsform sind demnach auf einem Außenkontaktblock 23 Flip-Chip-Kontakte von Elektroden 12, 13 der Oberseiten 15 unterschiedlicher Halbleiterchips 4, 5 angeordnet, so dass die Elektroden 12, 13 elektrisch miteinander verbunden sind.
Die auf der Rückseite 16 des ersten Halbleiterchips 4 angeordnete Drainelektrode D₁ ist über einen ersten Verbindungsbügel 44 mit dem 12 V-Außenanschluss an der Unterseite des Halbleitermoduls 1 elektrisch verbunden. Dabei bedeckt der erste Verbindungsbügel 44 fast vollständig die dritte Elektrode 14 auf der Rückseite 16 des ersten Halbleiterchips 4.
Der zweite Halbleiterchip 5 ist mit seinen Sourceelektroden S₂ als erste Elektroden 12 ebenfalls auf dem 0 V-Außenanschluss in Flipchiptechnik montiert, während zur Verwirklichung der kreuzverschalteten Schaltungsanordnung der 1 die zweite Elektrode 13 des Halbleiterchips 5 als Gateelektrode G₂ auf dem 12 V-Außenanschluss 20 liegt. Die auf der Rückseite 16 des zweiten Halbleiterchips 5 angeordnete dritte Elektrode 14 ist über einen zweiten Bondbügel 45 mit dem EIN/AUS-Außenanschluss auf der Unterseite des Halbleitermoduls 1 elektrisch verbunden, so dass auf dem Außenanschluss 21 in Form eines streifenförmigen Außenkontaktblocks 23 die zweite Drainelektrode D₂ mit der ersten Gateelektrode G₁ zusammengeschaltet sind. Für diese Anordnung sind somit lediglich zwei Verbindungselemente 22 erforderlich, die hier in Form von Verbindungsbügeln 44 und 45 verwirklicht sind.
Anstelle der Verbindungsbügel 44 und 45 können jedoch auch Bonddrähte oder Bondbänder eingesetzt werden, um die dritten Elektroden 14 der Rückseiten 16 der Halbleiterchips 4 und 5 mit den entsprechenden Außenanschlüssen 21 bzw. 20 elektrisch zu verbinden. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann nicht nur von der Unterseite des Halbleitermoduls 1 auf die Außenanschlüsse zugegriffen werden, sondern die streifenförmigen Außenkontaktblöcke 23 sind auch von den Randseiten 28 und 30 in dieser Ausführungsform der Erfindung zugänglich, da sie an den Randseiten 28 und 30 ebenfalls Außenkontaktflächen 25 aufweisen. Ferner ist es möglich, die streifenförmigen Außenkontaktblöcke 23 aus den Randseiten 28 und 30 in Form von Flachleitern eines Flachleiterrahmens herausragen zu lassen und als Anschlussfahnen auf einer Randseite oder auf beiden Randseiten auszubilden.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Halbleitermodul 1 gemäß 1 entlang der in 2 gezeigten Schnittlinie A-A. Dieser Querschnitt zeigt, dass die in 2 gezeigten streifenförmigen Außenkontaktblöcke 23 oberflächenmontierbare Außenkontaktflächen 24 auf der Unterseite 17 des Halbleitermoduls 1 aufweisen und frei zugänglich sind und in einem Halbleitermodulgehäuse 26 fixiert sind. Dieses Halbleitermodulgehäuse 26 weist in dieser Ausführungsform der Erfindung eine Kunststoffgehäusemasse 31 auf, in welche die Außenkontaktblöcke 23 teilweise und die Halbleiterchips 5, von denen in diesem Querschnitt der Halbleiterchip 5 des zweiten Transistors T₂ zu sehen ist, mit den Verbindungselementen 22 vollständig eingebettet sind.
Dabei ist kennzeichnend für diese Ausführungsform, dass auf der ersten Elektrode 12 und der zweiten Elektrode 13 der Ersten Seite 15 des Halbleiterchips 5 Kontaktpfeiler 32 angeordnet sind, welche eine Flipchipmontage des Halbleiterchips 5 auf den Außenkontaktblöcken 23 erleichtern. Diese Kontaktpfeiler 32 weisen eine Kupferlegierung auf und sind über Lotschichten 56 mit den Außenkontaktblöcken 23 elektrisch und mechanisch verbunden. Diese Lotschichten 56 können ein Diffusionslot aufweisen. Ein derartiges Diffusionslot hat den Vorteil, dass es intermetallische Phasen ausbildet. Diese intermetallischen Phasen weisen eine höhere Schmelztemperatur auf als die Diffusionslöttemperatur. Dadurch ist ein nachfolgendes Aufbringen des in 3 gezeigten Verbindungsbügels 43 bei Löttemperaturen für Weichlote oder bei Aushärttemperaturen für leitende Klebstoffe möglich, ohne dass die bereits bestehende Flipchipanordnung des Halbleiterchips 5 auf den Außenanschlüssen 19 und 20 geschädigt wird.
Die Elektroden 12 und 13 der ersten Seite 15 des Halbleiterchips 5 sind auf voneinander getrennten Außenkontaktblöcken 23 fixiert. Die dritte Elektrode 14 auf der Rückseite 16 des Halbleiterchips 5 ist in dieser Ausführungsform der Erfindung über ein Verbindungselement 43 mit einer Kontaktanschlussfläche 54 eines weiteren Außenanschlusses 21, der ebenfalls aus einem Außenkontaktblock 23 gebildet ist, elektrisch verbunden. Anstelle eines Verbindungsbügels 43 können auch Bondbänder oder eine Mehrzahl von Bonddrähten die Verbindung zwischen der dritten Elektrode 14, die hier die Drainelektrode D₂ darstellt, und dem Außenanschluss 21 bereitstellen.
Auf dem Außenanschluss 21 liegt nicht nur die Drainelektrode D₂ des zweiten Halbleiterchips 5, sondern auch gleichzeitig die Gateelektrode G₁ des in 2 gezeigten ersten Halbleiterchips 4. Diese bilden zusammen einen EIN/AUS-Anschluss des Halbleitermoduls. Ein in der Mitte der Unterseite 17 des Halbleitermoduls 1 angeordneter Außenanschluss 19 verbindet die beiden Sourceelektroden S₁ und S₂ und liegt für diese Schaltung auf ein Massepotential von 0 V. Schließlich verbindet der Außenanschluss 20 die Gateelektrode G₂ des zweiten Halbleiterchips 5 mit der Drainelektrode D₁ des ersten Halbleiterchips.
Anstelle des hier gezeigten Halbleiterchips 5 als Leistungshalbleiterchip des MOSFET-Typs kann auch ein Leistungshalbleiterchip des IGBT-Typs vorgesehen werden. In diesem Fall ist die erste Elektrode 12 eine Emitterelektrode E und die zweite Elektrode 13 der ersten Seite 15 des Halbleiterchips 5 eine isolierte Gateelektrode G, während die Drainelektrode dann als Kollektorelektrode K ausgeführt ist. Ferner können die Außenkontaktblöcke 23 des Halbleitermoduls 1 Flachleiterstücke eines Flachleiterrahmens darstellen, der bei der Herstellung der Halbleitermodule eingesetzt wird.
Ein Verfahren zur Herstellung mehrerer Halbleitermodule 1 gemäß den 1 bis 3 mit Halbleiterchips 4 und 5 weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird ein Flachleiterrahmen mit mehreren Halbleitermodulpositionen bereitgestellt, wobei in den Halbleitermodulpositionen Außenanschlüsse 19, 20 und 21 vorgesehen sind. Diese Halbleitermodulpositionen werden von dem Flachleiterrahmen in Position gehalten, wobei die Außenanschlüsse 19, 20 und 21 derart benachbart zueinander angeordnet sind, dass elektrisch getrennt angeordnete Außenanschlüsse 19 und 20 mit ersten und zweiten Elektroden 12 bzw. 13 auf einer ersten Seite 15 eines Halbleiterchips 4 bzw. 5 in Flipchipanordnung kontaktiert werden können.
Dazu werden mindestens zwei Halbleiterchips 4 bzw. 5 in einer Halbleitermodulposition in Flipchipanordnung auf die Außenanschlüsse 19, 20 und 21 aufgebracht. Nach dem Aufbringen des ersten und des zweiten Halbleiterchips 4 bzw. 5 werden Verbindungselemente 22 zwischen dem Außenanschluss 21 für D₂ und dem Außenanschluss 20 für D₁ und einer dritten Elektrode 14 auf der Rückseite 16 der eine Flipchipanordnung aufweisenden Halbleiterchips 4 und 5 angebracht. Anschließend werden die Halbleiterchips 4 und 5, die Verbindungselemente 22 und teilweise die Außenanschlüsse 19, 20 und 21 in eine Kunststoffgehäusemasse 31 unter Freilassen von Außenkontaktflächen 24 der Außenanschlüsse 19, 20 und 21 des Flachleiterrahmens in den Halbleiterchippositionen eingebettet. Da der Flachleiterrahmen mehrere Halbleiterchippositionen aufweist, kann nach dem Verpacken der Halbleitermodule 1 in ein Kunststoffgehäuse 26 ein Auftrennen des Flachleiterrahmens in den einzelnen Halbleitermodulpositionen zu einzelnen Halbleitermodulen 1 erfolgen.
Zum Bereitstellen eines Flachleiterrahmens wird eine Metallplatte, vorzugsweise eine ebene Kupferplatte strukturiert. Für ein derartiges Strukturieren der ebenen Metallplatte können Nass- oder Trocken-Ätzverfahren oder auch Stanz- oder Schneid-Verfahren eingesetzt werden.
Anstelle einer ebenen Metallplatte kann das Herstellen eines Flachleiterrahmens auch dadurch erfolgen, dass eine Flachleiterrahmenstruktur galvanisch auf einem Hilfsträger abgeschie den und anschließend der Hilfsträger entfernt bzw. die Flachleiterrahmenstruktur von dem Hilfsträger abgenommen wird.
Als Verbindungselement 22 zwischen der dritten Elektrode 14 der Rückseite 16 der Halbleiterchips 4 bzw. 5 und den Außenkontaktblöcken 23 wird ein Verbindungsbügel 43 aufgebracht. Das Anbringen von Verbindungselementen 22 zwischen der dritten Elektrode 14 auf den Rückseiten 16 der Halbleiterchips 4 bzw. 5 und den Außenkontaktblöcken 23 kann auch über Bonden von Bonddrähten oder Bondbändern erfolgen.
Das Aufbringen der ersten und zweiten Elektroden 12 und 13 der Halbleiterchips 4 bzw. 5 auf die vorgesehenen getrennten Außenanschlüsse 19, 20 oder 21 kann durch Löten oder Kleben der Elektroden 12 und 13 auf entsprechenden Kontaktanschlussflächen 54 elektrisch getrennten der Außenkontaktblöcke 23 erfolgen.
Nach Vergießen bzw. Einbetten der Komponenten wie Halbleiterchips 4 und 5, Verbindungselemente 22 und Außenkontaktblöcke 23 in eine Kunststoffgehäusemasse in den unterschiedlichen Halbleitermodulpositionen des Flachleiterrahmens kann dieser mittels eines Stanz- oder Sägeverfahrens in einzelne Halbleitermodule 1 aufgetrennt werden und außerdem ist es möglich, zum Auftrennen des Flachleiterrahmens in einzelne Halbleitermodule 1 ein Ätzverfahren oder ein Laserablationsverfahren einzusetzen.
4 zeigt eine schematische Schaltung eines Halbleitermoduls 2 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform beinhaltet eine erfindungsgemäße Montagevariante für eine H-Brücke einer Elektro-Motor-Steuerung, wobei die Versorgungsleitungen z. B. 0 V und 12 V durchgezogen sind und die anderen Kontakte jeweils nur auf einer Gehäuseseite verfügbar sind. Ein derartiges Halbleitermodul ist für Bordnetze vorgesehen, wobei der zwischen den Motoranschlüssen 52 und 53 angeordnete Motor 33 nicht Bestandteil des Halbleitermoduls ist. Die Brückenschaltung gemäß 4 umfasst vier Transistoren 34 bis 37 bzw. T₁ bis T₄. Zwischen dem 0 V Potential und dem 12 V Potential sind bei dieser Bordnetzschaltung zur Steuerung eines Motors 33 die Transistoren T₁ und T₄ in Reihe geschaltet, wobei die Sourceelektrode S₄ auf 0 V liegt und die Drainelektrode D₁ auf 12 V, und die Sourceelektrode S₁ und die Drainelektrode D₄ sind zusammengeschaltet zu dem Motoranschluss 52. Der zweite Motoranschluss 53 liegt auf der Drainelektrode D₂ und der Sourceelektrode S₃ der Transistoren T₂ und T₃, wobei die Transistoren T₂ und T₃ zwischen 0 und 12 V in Reihe geschaltet sind.
5 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Halbleitermodul 2 gemäß der Schaltung in 4. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 2 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Auch hier ist zur Verdeutlichung der Anordnung von Halbleiterchips 4 bis 7, Verbindungsbügeln 43 und Außenkontaktblöcken 23 die Kunststoffgehäusemasse weggelassen und lediglich ihre Kontur durch eine Strichpunktierte Linie 55 gekennzeichnet. Auch bei diesem Halbleitermodul wird darauf geachtet, dass die Zahl der Verbindungselemente in Form von Verbindungsbügeln 43 so gering wie möglich gehalten wird.
Für das Zusammenschalten der 12 Elektroden der vier Halbleiterchips 4 bis 7 werden lediglich vier Verbindungsbügel 44 bis 47 eingesetzt. Diese verbinden die vier Halbleiterchips 4 bis 7 mit streifenförmigen Außenkontaktblöcken 57 bis 65. Die beiden äußeren Außenkontaktblöcke 57 und 58 sind für die 12 V Versorgung der Drainelektroden D₁ und D₃ vorgesehen. Entsprechende Verbindungsbügel 44 und 46 stellen die elektrische Verbindung zu den Halbleiterchips 4 und 6 der Transistoren T₁ bzw. T₃ her. Ein zentraler Außenkontaktblock 61, auf dem über Flipchipkontakte die Sourceelektroden S₂ und S₄ der Transistoren T₂ bzw. T₄ angeordnet sind, bildet den Anschluss für das Massepotential und kann auf 0 V gelegt werden.
Vier getrennte Außenkontaktblöcke 62 bis 65 sind neben dem zentralen Außenkontaktblock 61 für die vier Gateelektroden G₁ bis G₄ angeordnet und somit isoliert voneinander ansteuerbar. Ein weiterer Außenkontaktblock 60 verbindet die Sourceelektrode S₁ mit der Drainelektrode D₄, während der Außenkontaktblock 59 mit der Sourceelektrode S₃ und der Drainelektrode D₂ in Verbindung steht und den Motoranschluss 53 bildet. Dieses Halbbrückenmodul zur Ansteuerung eines Motors 33 zeichnet sich durch einen kompakten und preiswert herstellbaren Aufbau aus und nutzt die Vorteile der Flipchipmontage von Leistungshalbleiterchips 4 bis 7 auf entsprechenden Außenkontaktblöcken 59 bis 65.
6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Halbleitermodul 2 gemäß 4 entlang der Schnittebene A-A in 5. In diesem Querschnitt werden die Transistoren T₃ und T₄ mit ihren Halbleiterchip 6 bzw. 7 gezeigt. Der Halbleiterchip 6 ist über den Verbindungsbügel 46 mit dem Außenkontaktblock 57, der auf 12 V liegt, verbunden. Die erste Elektrode 12 auf der ersten Seite 15 des Halbleiterchips 6 ist über zwei Kontaktpfeiler 32 aus Kupfer mit dem Außenkontaktblock 59 verbunden, der gleichzeitig eine elektrische Verbindung zur Drainelektrode D₂ bereitstellt.
Die zweite Elektrode 13 ist als Gateelektrode G₃ ausgebildet und steht über einen Kupferpfeiler 32 mit dem Außenkontaktblock 62 elektrisch in Verbindung. Dieser Außenkontaktblock 62 ist isoliert von den übrigen Außenkontaktblöcken ansteuerbar. Der vierte Halbleiterchip 7 ist wiederum mit seiner Sourceelektrode 12 über zwei Kontaktpfeiler 32, die als Flipchipkontakte dienen mit dem Außenkontaktblock 61 verbunden, der auf Massepotential 0 V liegt. Die zweite Elektrode 13 des Halbleiterchips 7 ist als Gateelektrode G₄ ausgebildet und isoliert von den anderen Außenkontaktblöcken mit dem Außenkontaktblock 63 elektrisch verbunden.
Schließlich ist der dritte Kontakt 14 auf der Rückseite 16 des vierten Halbleiterchips 7 über einen vierten Verbindungsbügel 47 mit einem weiteren Außenkontaktblock 60 verbunden, der im Zusammenwirken mit der Sourceelektrode S₁ den Motoranschluss 52 bildet. Zwischen dem Motoranschluss 52 und dem Motoranschluss 53 kann ein Motor 33, der nicht Bestandteil des Halbleitermoduls 2 ist, angesteuert werden.
Der Außenkontaktblock 58 zeigt in dieser Schnittebene kein Verbindungselement, ist jedoch mit der Drainelektrode D₁ des ersten Transistors T₁ verbunden und liegt gemäß 4 auf dem 12 V Potential. Eine derartige Schaltung kann durch Aneinanderreihung und Verlängerung der Außenkontaktblöcke 57 bis 61 beliebig erweitert werden und auch komplexere beispielsweise Vollbrückenschaltungen umfassen.
7 zeigt eine schematische Schaltung eines Halbleitermoduls 3 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Dieses Halbleitermodul 3 ist ein weiteres Anwendungsbeispiel eines MCM-Bauelements für einen High Power-DC/DC-Konverter, wobei hier mehrere Chipkontakte mit einem Kontaktelement bei spielsweise einem Leadframe oder einem Kontaktclip bzw. Verbindungsbügel parallel verbunden werden, wodurch der Montageaufbau und die Montagekosten reduziert werden. Das Halbleitermodul 3 dient der Transformation einer niedrigen Gleichspannung beispielsweise von 12 V zu einer höheren Gleichspannung beispielsweise von 48 V. Dazu steht ein Schaltmodul in Verbindung mit einem Transformationselement, das primärseitig 12 V aufnimmt und sekundärseitig 48 V abgibt. Dabei ist der gleichrichtende Bereich auf der Sekundärseite für 48 V Gleichspannung nicht im Detail abgebildet. Lediglich die Schaltung auf der Primärseite ist gezeigt, wobei diese Schaltung zwei Transformatorspulen 70 und 71 à 12 V versorgt und dazu eine Schaltung mit acht Transistoren T₁ bis T₈ vorsieht.
8 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Halbleitermodul 3 gemäß 7. Die Kunststoffgehäusemasse ist wiederum weggelassen und nur die äußere Kontur ist mit einer strichpunktierten Linie 55 gekennzeichnet. Innerhalb des Kunststoffgehäuses sind auf der Unterseite des Halbleitermoduls 5 streifenförmige Außenkontaktblöcke 57 bis 61 vorgesehen, wobei der Außenkontaktblock 57 in der Mitte unterbrochen ist, um zu ermöglichen, dass die Transformatorspulen 70 und 71 der Primärseite galvanisch getrennt versorgt werden können. Das Gleiche gilt für den zentralen streifenförmigen Außenkontaktblock 61, der das Massepotential 0 V hält, und der ebenfalls in zwei Hälften aufgeteilt sein kann, um eine galvanisch entkoppelte Versorgung der Spule 70 mit den Transformatoranschlüssen 66 und 68 sowie der Spule 71 mit den Transformatoranschlüssen 67 und 69 zu gewährleisten.
Ferner ist für die Transistoren T₂, T₄, T₆ und T₈ ein Außenkontaktblock 59 vorgesehen, um die Gateelektroden dieser Transistoren T₂, T₄, T₆ und T₈ anzusteuern. Darüber hinaus ist ein weiterer Außenkontaktblock 60 als Steuerleitung vorgesehen zum Ansteuern der Gateelektroden der Transistoren T₁, T₃, T₅ und T₇. Ein fünfter Außenkontaktblock 58 versorgt schließlich die Schaltung mit einem 1,5 V Potential. Die vierundzwanzig Elektroden der acht Transistoren T₁ bis T₈ benötigen lediglich acht Verbindungsbügel 44 bis 51, die für die Drainelektroden D₁ bis D₈ auf den Rückseiten 16 der Halbleiterchips vorzusehen sind.
Die acht Sourceelektroden S₁ bis S₈ sind paarweise übereinander gestapelt, so dass in der Draufsicht lediglich vier Sourceelektroden zu sehen sind. Dieses wird dadurch erreicht, dass zunächst auf dem Außenkontaktblock 61 über Flipchipkontakte in Form von Kontaktpfeilern 32 eine Sourceelektrode S₁ eines Basistransistors beispielsweise T₁ angeordnet ist und auf der dritten Elektrode 14 auf der Rückseite 16 des Transistors T₁ die Sourceelektrode S₂ eines gestapelten Halbleiterchips 5 mechanisch fixiert und elektrisch verbunden ist.
Eine derartig kompakte Anordnung mit paarweise gestapelten Halbleiterchips 4 und 5 in Flipchipanordnung wird im Detail in 9 gezeigt. Durch die Stapelung der Halbleiterchips 4 und 5 der Transistoren T₁ und T₂ sowie der Halbleiterchips 6 und 7 der Transistoren T₃ bzw. T₄ sowie der Halbleiterchips 8 und 9 der Transistoren T₅ bzw. T₆ und der Halbleiterchips 10 und 11 der Transistoren T₇ und T₈ wird deutlich der Raumbedarf vermindert und ein kompaktes Modul erreicht, bei dem die Transistoren T₁, T₃, T₅ und T₇ den Basishalbleiterchip mit den Halbleiterchips 4, 6, 8 und 10 bilden, auf deren Rückseiten 16 jeweils die Halbleiterchips 5, 7, 9 und 11 der Transistoren T₂, T₄, T₆ und T₈ gestapelt sind.
Dadurch werden auch die streifenförmigen Außenkontaktblöcke 23 auf fünf Außenkontaktblöcke 57 bis 61 reduziert, wobei zum Ausgleich der Dicke des Basishalbleiterchips der Außenkontaktblock 59 gegenüber den übrigen Außenkontaktblöcken 57, 58, 60 und 61 eine unterschiedliche Höhe aufweist. Diese Höhe kann durch eine Auflage auf den als Flachleitern ausgebildeten Außenkontaktblöcken erfolgen, wie es beispielsweise für den Außenkontaktblock 59 in dem Querschnitt gemäß 9 zu sehen ist.

1: Halbleitermodul (Ausführungsform)
2: Halbleitermodul (weitere Ausführungsform)
3: Halbleitermodul (weitere Ausführungsform)
4: erster Halbleiterchip
5: zweiter Halbleiterchip
6: dritter Halbleiterchip
7: vierter Halbleiterchip
8: fünfter Halbleiterchip
9: sechster Halbleiterchip
10: siebter Halbleiterchip
11: achter Halbleiterchip
12: erste Elektrode
13: zweite Elektrode
14: dritte Elektrode
15: erste Seite des Halbleiterchips
16: zweite Seite des Halbleiterchips
17: zweite Seite des Halbleitermoduls
18: erste Seite des Halbleitermoduls
19: Außenanschlüsse (Source)
20: Außenanschlüsse (Gate)
21: Außenanschlüsse (Drain)
22: Verbindungselement
23: Außenkontaktblock
24: oberflächenmontierbare Außenkontaktfläche
25: Außenkontaktfläche auf Randseiten
26: Halbleitermodulgehäuse
27: Randseite des Halbleitermoduls
28: Randseite des Halbleitermoduls
29: Randseite des Halbleitermoduls
30: Randseite des Halbleitermoduls
31: Kunststoffgehäusemasse
32: Kontaktpfeiler
33: Gleichstrommotor
34: erster Transistor
35: zweiter Transistor
36: dritter Transistor
37: vierter Transistor
38: fünfter Transistor
39: sechster Transistor
40: siebter Transistor
41: achter Transistor
42: Halbleiterchipstapel
43: Verbindungsbügel
44: erster Verbindungsbügel
45: zweiter Verbindungsbügel
46: dritter Verbindungsbügel
47: vierter Verbindungsbügel
48: fünfter Verbindungsbügel
49: sechster Verbindungsbügel
50: siebter Verbindungsbügel
51: achter Verbindungsbügel
52: Motoranschluss
53: Motoranschluss
54: Kontaktanschlussfläche
55: strichpunktierte Linie
56: Lotschicht V_D Versorgungspotential
57: Außenkontaktblock (12 V)
58: Außenkontaktblock (12 V)
59: Außenkontaktblock (M)
60: Außenkontaktblock (M)
61: Außenkontaktblock (0 V)
62: Außenkontaktblock (G₂)
63: Außenkontaktblock (G₄)
64: Außenkontaktblock (G₂)
65: Außenkontaktblock (G₁)
66: Trafoanschluss
67: Trafoanschluss
68: Trafoanschluss
69: Trafoanschluss
70: Trafospule
71: Trafospule
72: Trafospule
D₁ bis D₈: Drainelektrode
E: Emitterelektrode
G₁ bis G₈: Gateelektrode
K: Kollektorelektrode
S₁ bis S₈: Sourceelektrode
T₁ bis T₈: Transistoren

Claims

Halbleitermodul aufweisend: – mindestens zwei Halbleiterchips (4, 5) mit – wenigstens einer ersten und einer zweiten Elektrode (12, 13) auf ihren ersten Seiten (15) und – jeweils einer dritten Elektrode (14) auf ihren zweiten Seiten (16), wobei die Halbleiterchips (4, 5) derart innerhalb des Halbleitermoduls (1) angeordnet sind, dass die Elektroden (12, 13) auf den ersten Seiten (15) der Halbleiterchips (4, 5) zu einer zweiten Seite (17) des Halbleitermoduls (1) und die dritten Elektroden (14) auf den zweiten Seiten (16) der Halbleiterchips (4, 5) zu einer ersten Seite (18) des Halbleitermoduls (1) ausgerichtet sind, – Außenanschlüsse (19, 20) auf der zweiten Seite (17) des Halbleitermoduls (1), mit denen die Elektroden (12, 13) der ersten Seiten (15) gekoppelt sind, – Verbindungselemente (22), welche die dritten Elektroden (14) mit den Außenanschlüssen (21) elektrisch koppeln.
Halbleitermodul nach Anspruch 1, wobei die Elektroden (12, 13) der ersten Seite (15) Flipchipkontakte aufweisen, die auf elektrisch voneinander getrennten Außenkontaktblöcken (23) angeordnet sind.
Halbleitermodul nach Anspruch 2, wobei die Außenkontaktblöcke (23) mit oberflächenmontierbaren Außenkontaktflächen (24) auf der zweiten Seite (17) des Halbleitermoduls (1) frei zugänglich sind und in einem Halbleitermodulgehäuse (26) fixiert sind.
Halbleitermodul nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei die Außenkontaktblöcke (23) Außenkontaktflächen (24, 25) auf Randseiten (27) und auf der zweiten Seite (17) des Halbleitermoduls (1) aufweisen.
Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitermodulgehäuse (26) eine Kunststoffgehäusemasse (31) aufweist, in welche die Halbleiterchips (4, 5), die Verbindungselemente (22) und die Außenanschlüsse (19, 20, 21) unter Freilassung von Außenkontaktflächen (24) eingebettet sind.
Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der ersten und der zweiten Elektrode (12, 13) kupferhaltige Pfeiler (32) als Flipchipkontakte angeordnet sind, die eine Diffusionslotbeschichtung aufweisen.
Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die dritte Elektrode (14) der Halbleiterchips (4, 5) über einen Verbindungsbügel (43) mit einem der Außenanschlüsse (21) elektrisch in Verbindung steht.
Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die dritte Elektrode (14) der Halbleiterchips (4, 5) über Bondbänder mit einem der Außenanschlüsse (21) elektrisch in Verbindung steht.
Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei innerhalb des Halbleitermoduls (19) ein Halbleiterchipstapel (42) angeordnet ist, und eine erste Elektrode (12) eines gestapelten Halbleiterchips (4) in Flipchipanordnung auf einer dritten Elektrode (14) eines an deren Halbleiterchips (5) derart fixiert ist, dass separat von der ersten Elektrode (12) auf die zweite Elektrode (13) des gestapelten Halbleiterchips (5) über einen Außenanschluss (20) von der zweiten Seite (17) des Halbleitermoduls (1) aus zugegriffen werden kann.
Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei das Halbleitermodul (1) Außenkontaktblöcke (23) unterschiedlicher Höhe aufweist welche Höhendifferenzen gestapelter Halbleiterchips (4, 5) ausgleicht.
Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei die Außenkontaktblöcke (13) des Halbleitermoduls (1) Flachleiterstücke eines Fachleiterrahmens sind.
Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Halbleiterchips (4, 5) Leistungshalbleiterchips des MOSFET- oder des IGBT-Typs vorgesehen sind, und wobei die erste Elektrode (12) eine Source- (S) bzw. Emitterelektrode (E), die zweite Elektrode (13) eine Gate- (G) bzw. eine Steuerelektrode und die dritte Elektrode (14) eine Drain- (D) bzw. Kollektorelektrode (K) ist.
Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitermodul (1) für ein Bordnetz vorgesehen ist.
Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitermodul (2) eine Brückenschaltung für eine Motorsteuerung aufweist.
Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitermodul (1) einen kreuzverschalteten AC/DC-Konverter aufweist.
Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitermodul (3) einen DC/DC-Konverter aufweist.
Verfahren zur Herstellung mehrerer Halbleitermodule (1) mit Halbleiterchips (4, 5), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: – Bereitstellen eines Flachleiterrahmens mit Außenanschlüssen (19, 20, 21), wobei die Außenanschlüsse (19, 20, 21) derart benachbart zueinander angeordnet sind, dass elektrisch getrennt angeordnete Außenanschlüsse (19, 20) mit ersten und zweiten Elektroden (12, 13) auf einer ersten Seite (15) eines Halbleiterchips (4, 5) in Flipchipanordnung kontaktiert werden können; – Aufbringen von mindestens zwei Halbleiterchips (4, 5) in Halbleitermodulpositionen in Flipchipanordnung auf die Außenanschlüsse (19, 20); – Anbringen von Verbindungselementen (22) zwischen Außenanschlüssen (21) und einer dritten Elektrode (14) auf zweiten Seiten (16) der eine Flipchipanordnung aufweisenden Halbleiterchips (4, 5).
Verfahren nach Anspruch 17, wobei nach Anbringen von Verbindungselementen (22) die Halbleiterchips (4, 5), die Verbindungselemente (22) und die Außenanschlüsse (19, 20, 21) in eine Kunststoffgehäusemasse (31) unter Freilassen von Außenkontaktflächen (24) der Außenanschlüsse (19, 20, 21) des Flachleiter rahmens in den Halbleitermodulpositionen eingebettet werden.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei nach dem Verpacken der Halbleitermodule (1) in ein Kunststoffgehäuse (26) ein Auftrennen des Flachleiterrahmens in den Halbleitermodulpositionen in einzelne Halbleitermodule (1) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei zum Bereitstellen eines Flachleiterrahmens eine Metallplatte, vorzugsweise eine ebene Kupferplatte, strukturiert wird.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei zum Strukturieren die ebene Metallplatte nass- oder trocken geätzt oder gestanzt wird.
Verfahren nach Anspruch 20 oder Anspruch 21, wobei beim Strukturieren der Metallplatte Außenkontaktblöcke (23) als Außenanschlüsse (19, 20, 21) mit unterschiedlichen Höhen hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass wobei zum Herstellen eines Flachleiterrahmens die Flachleiterrahmenstruktur galvanisch auf einem Hilfsträger abgeschieden und anschließend von dem Hilfsträger abgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 22 oder Anspruch 23, wobei beim Anbringen von Verbindungselementen (22) zwischen dritten Elektroden (14) der zweiten Seiten (16) der Halbleiterchips (4, 5) und den Außenkontaktblöcken (23) Verbindungsbügel (43) aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 22 oder Anspruch 23, wobei beim Anbringen von Verbindungselementen (22) zwischen dritten Elektroden (14) der zweiten Seiten (16) der Halbleiterchips (4, 5) und den Außenkontaktblöcken (23) Verbindungsbügel (43) oder Bondraht- und/oder Bondbandverbindungen angebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 25, wobei beim Aufbringen der Halbleiterchips (4, 5) auf die vorgesehenen Außenanschlüsse (19, 20, 21) die Elektroden (12, 13, 14) der Halbleiterchips (4, 5) auf Kontaktanschlussflächen (54) der Außenkontaktblöcke (23) gelötet oder geklebt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 26, wobei zum Auftrennen des Flachleiterrahmens in einzelne Halbleitermodule (1) ein Stanz- oder Sägerverfahren eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 26, wobei zum Auftrennen des Flachleiterrahmens in einzelne Halbleitermodule (1) ein Ätzverfahren oder Laserablationsverfahren eingesetzt wird.