DE102007015534B4 - Leistungshalbleitermodul - Google Patents

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Abstract

Leistungshalbleitermodul mit: einer Wärmesenke (1); mindestens einem Leistungshalbleitervorrichtungen (4) aufweisenden Leistungshalbleiterschaltungssubstrat (3), das auf die Wärmesenke (1) montiert ist; Ansteuerschaltungssubstraten (2) zum Ansteuern der Leistungshalbleitervorrichtungen (4), die auf der Wärmesenke (1) montiert sind; und mindestens einem Verbindungsschaltungssubstrat (13) auf der Wärmesenke (1), wobei auf den Ansteuerschaltungssubstraten (2) jeweils ein Leitungsmuster (10) angeordnet ist mit jeweils einer Befestigungsregion (15) für Elektrodenanschlüsse, und mit Chipwiderständen (14), die mit dem Leitungsmuster (10) und mit den Leistungshalbleitervorrichtungen (4) verbunden sind; einer Schicht (11) mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten, welche das Leitungsmuster (10) und die Chipwiderstände (14) bedeckt; einem Gehäuse (7), das auf der Wärmesenke (1) so angeordnet ist, daß es das mindestens eine Leistungshalbleiterschaltungssubstrat (3) mit den Leistungshalbleitervorrichtungen (4), die Ansteuerschaltungssubstrate (2) mit den Chipwiderständen (14) und das mindestens eine Verbindungsschaltungssubstrat (13) umschließt; und mit einem auf einem oberen Abschnitt des Gehäuses (7) angeordneten Deckel (8); wobei die Leitungsmuster auf dem Leistungshalbleiterschaltungssubstrat (3) mit den Leistungshalbleitervorrichtungen (4) und das Verbindungsschaltungssubstrat (13) nicht mit der Schicht (11) niedriger Dielektrizitätskonstante bedeckt sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Leistungshalbleitermodul, in dem zur Erreichung einer längeren Betriebsdauer eine Partialentladung reduziert ist.
  • US 6 844 621 B2 beschreibt eine Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zum Abbau von thermischen Spannungen darin. Die Halbleitervorrichtung weist ein Isolationssubstrat mit Leitungsmustern auf der Ober- und Unterseite eines Keramiksubstrates auf. Bei dem Leitungsmuster auf der Unterseite, welches auf einen Kühlkörper aufgebracht wird, sind die vier Ecken abgeschrägt. Alternativ können in den vier Ecken Schlitze ausgebildet sein.
  • DE 23 47 049 A1 beschreibt ein Verfahren zum Einkapseln von miniaturisierten Schaltungen. Insbesondere wird die gesamte Schaltung zunächst mit einer Schutzschicht aus härtbarem Silikongummi oder -lack überzogen, sodann mit einem elastischen Puffer umhüllt und danach in die Kunststoffmasse eingebaut.
  • US 5 744 860 A offenbart ein Leistungshalbleitermodul, welches durch ein auf einer Grundplatte angeordnetes Gehäuse umgeben ist. Mit einem Halbleiterchip sind Anschlussbügel elektrisch verbunden und zur Außenseite des Gehäuses geführt. Zum Schutz vor einer Explosion des Gehäuses sind innerhalb des Gehäuses Hohlräume vorgesehen, in die sich die Vergießmasse ausdehnen kann.
  • EP 0 789 397 A2 beschreibt eine Platine, auf der eine Metallgrundplatte, ein Isolationssubstrat und eine leitende Folie in dieser Reihenfolge befestigt sind. Das Halbleiterelement ist auf der leitenden Folie angebracht. Die Ecken der leitenden Folie sind abgerundet.
  • Ein bekanntes Leistungshalbleitermodul, wie jenes, das in der JP 2002- 076 197 A vorgeschlagen wird, beinhaltet: einen Kühlkörper; ein Schaltungssubstrat oder mehrere, das/die auf den Kühlkörper montiert ist/sind; ein Leitungsmuster, das auf dem Schaltungssubstrat vorgesehen ist; ein Gehäuse, das auf dem Kühlkörper so vorgesehen ist, daß es das Schaltungssubstrat umschließt, einen weichen Isolator, der den Raum innerhalb des Gehäuses ausfüllt; und einen festen Isolator, der auf der Deckfläche des Schaltungssubstrates so vorgesehen ist, daß er in Kontakt mit dem Umfangsabschnitt des Leitungsmusters ist. Der feste Isolator soll den Isolationswiderstand und die Spannungsfestigkeit des Moduls vergrößern.
  • Wenn das Leistungshalbleitermodul bei einer Hochspannung betrieben wird, kann innerhalb des Moduls eine Partialentladung an einem Abschnitt auftreten, dessen Potential schwebt, was in einem Versagen der Isolation resultiert. Es wurde herausgefunden, daß Ansteuerschaltungssubstrate mit Elektroden auf beiden Seiten und einer komplizierten Gestalt besonders anfällig für Partialentladungen sind.
  • Die vorliegende Erfindung wurde ersonnen zum Lösen des obigen Problems. Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Leistungshalbleitermodul bereitzustellen, in dem eine Partialentladung verringert ist zum Erreichen einer längeren Betriebsdauer.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1.
  • Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Die vorliegende Erfindung gestattet eine Verringerung der Partialentladung innerhalb eines Leistungshalbleitermoduls, was in einer verlängerten Betriebsdauer resultiert.
  • Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Von den Figuren zeigen:
  • 1 eine Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine Draufsicht des Leistungshalbleitermoduls gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 3 eine Äquivalenzschaltung eines Schaltungsblocks in dem in 2 gezeigten Leistungshalbleitermodul;
  • 4 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Abschnitts A, der in 1 gezeigt ist;
  • 5 eine Draufsicht auf ein in der Erfindung bevorzugtes Ansteuerschaltungssubstrat, das mit einer Schicht mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten bedeckt ist;
  • 6 eine Draufsicht auf ein weiteres bevorzugtes Ansteuerschaltungssubstrat, das unbedeckt ist;
  • 7 eine Draufsicht auf das Ansteuerschaltungssubstrat gemäß 6, das mit der Schicht bedeckt ist.
  • 1 ist eine Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 2 ist eine Draufsicht des Moduls. Dieses Leistungshalbleitermodul weist eine Mehrzahl von Schaltungsblöcken auf, von denen jeder eine Mehrzahl von parallel geschalteten IGBTs enthält, welche sich einen gemeinsamen Kollektoranschluß, einen gemeinsamen Emitteranschluß und einen gemeinsamen Gateanschluß teilen zum Erreichen einer hohen elektrischen Widerstandsfähigkeit und eines Betriebs bei hohem Strom. Zum Beispiel zeigt 3 eine Äquivalenzschaltung solch eines Schaltungsblocks.
  • Bezugnehmend auf 1 und 2 sind auf eine Metall-Grundplatte 1 (einen Kühlkörper) Ansteuerschaltungssubstrate 2 (Schaltungssubstrate), Leistungshalbleiterschaltungssubstrate 3 und Verbindungsschaltungssubstrate 13 montiert. Jedes Schaltungssubstrat beinhaltet ein isolierendes Substrat aus z. B. einem Keramikmaterial und ein Leitungs-(oder Elektroden-)Muster 10 z. B. aus Kupfer oder Aluminium, welches auf beiden Seiten des isolierenden Substrats ausgebildet ist. Leistungshalbleitervorrichtungen (Chips) 4, wie zum Beispiel Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) 4a und Freilaufdioden 4b, sind auf dem Leitungsmuster jedes Leistungshalbleiterschaltungssubstrats 3 durch ein leitendes Haftteil, wie zum Beispiel Lot, befestigt. Andererseits sind Chipwiderstände 14 auf dem Leitungsmuster jedes Ansteuerschaltungssubstrats 2 durch ein leitendes Haftteil, wie zum Beispiel Lot, befestigt. Die Elektroden der Leistungshalbleitervorrichtungen 4 (nämlich der Emitter und das Gate jedes IGBT 4a und die Anode jeder Freilaufdiode 4b) sind elektrisch mit ihren entsprechenden Ansteuerschaltungssubstraten 2 oder Verbindungsschaltungssubstraten 13 über Drähte 5 z. B. aus Al elektrisch verbunden. Genauer gesagt sind die Emitterelektroden der IGBTs 4a und die Anodenelektroden der Freilaufdioden 4b mit dem Leitungsmuster 10 der entsprechenden Verbindungsschaltungssubstrate 13 über Drähte 5 verbunden, während die Gateelektroden der IBGTs 4a mit dem Leitungsmuster 10 ihrer entsprechenden Ansteuerschaltungssubstrate 2 durch Drähte 5 verbunden sind. Auf jedem Leistungshalbleiterschaltungssubstrat 3 sind die Kathodenelektroden der Freilaufdioden 4b mit dem Kollektor ihres entsprechenden IGBT 4a über das Leitungsmuster 10 verbunden. Ein Plastikgehäuse 7 ist auf der Grundplatte 1 so vorgesehen, daß es die Ansteuerschaltungssubstrate 2, die Leistungshalbleiterschaltungssubstrate 3 und die Verbindungsschaltungssubstrate 13 umschließt. An der Oberseite des Gehäuses 7 ist ein Deckel 8 angeordnet. Weiterhin ist der Raum innerhalb des Gehäuses 7 mit einem Silikongel 9 (weicher Isolator) ausgefüllt, um das Gehäuse 7 luftdicht zu machen und die Komponenten darin zu isolieren. Weiterhin beinhaltet jedes Schaltungssubstrat eine Elektrodenanschluß-Befestigungsregion 15, auf der Elektrodenanschlüsse (in den Figuren nicht gezeigt) montiert sind zum Ermöglichen einer elektrischen Verbindung zu externen Vorrichtungen. Es sollte bemerkt werden, daß, obwohl bei dem obigen Beispiel die Leistungshalbleiterschaltungssubstrate 3 und die Verbindungsschaltungssubstrate 13 getrennt vorgesehen sind, sie zu einem einzigen isolierenden Substrat zusammengelegt werden können, das getrennte Leitungsmuster-Ausbildungsregionen für Leistungshalbleiterschaltungen und für Verbindungsschaltungen trägt.
  • 4 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Abschnitts A (d. h. eines Ansteuerschaltungssubstrates 2), der in 1 gezeigt ist. Ein Leitungsmuster 10, das aus einem Metall, wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium, ausgebildet ist, ist auf dem Ansteuerschaltungssubstrat 2 vorgesehen. Eine Schicht 11 mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten ist so vorgesehen, daß sie das Leitungsmuster 10 bedeckt. Diese Anordnung verringert eine Partialentladung auf dem Ansteuerschaltungssubstrat 2 mit einer komplizierten Gestalt, was eine Verlängerung der Betriebsdauer des Produktes gestattet. Es sollte bemerkt werden, daß, unterschiedlich zu den Ansteuerschaltungssubstraten 2, die Leitungsmuster auf den Leistungshalbleiterschaltungssubstraten 3 und den Verbindungsschaltungssubstraten 13 nicht bedeckt sind. Der Isolationswiderstand und die Spannungsfestigkeit dieser Schaltungssubstrate können erhöht werden durch Auftragen einer Schicht 11 mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten auf der Deckfläche jedes isolierenden Substrats dergestalt, daß sie in Kontakt zu dem Umfangsabschnitt des Leitungsmusters ist, wie bei bekannten Anordnungen.
  • Es sollte bemerkt werden, daß die Schichten 11 mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten aus Silikongummi, Polyimid oder Epoxidharz ausgebildet sein können. Jedes Material hat seine Vorteile. Beispielsweise erleichtert die Verwendung von Silikongummi den Zusammenbau, Polyimid liefert eine erhöhte Wärmebeständigkeit und Epoxidharz liefert verbesserte Wärmezykluseigenschaften.
  • Es wird eine kurze Beschreibung eines Verfahrens des Ausbildens einer Schicht 11 mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten gegeben. In dem Falle eines Ansteuerschaltungssubstrates 2 werden zunächst Chipwiderstände 14 an vorbestimmten Positionen auf dem Leitungsmuster auf dem Ansteuerschaltungssubstrat 2 z. B. durch Lot. befestigt. Dann werden die Drahtbondpositionen auf dem Leitungsmuster des Ansteuerschaltungssubstrats 2 und den Leistungshalbleitervorrichtungen 4 (speziell die Gateelektroden der IGBTs 4a) auf einem Leistungshalbleiterschaltungssubstrat 3 (in dem gleichen Schaltungsblock) z. B. durch Aluminiumdrähte mittels Ultraschallbondens, verbunden. Nach dem Befestigen der Elektrodenanschlüsse an der Elektrodenanschluß-Befestigungsregion 15 des Leitungsmusters 10 z. B. durch Lot wird dann eine Schicht 11 mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten so ausgebildet, daß sie das Leitungsmuster 10 bedeckt.
  • 5 ist eine Draufsicht eines in der Erfindung bevorzugten Ansteuerschaltungssubstrates, welches mit einer Schicht niedriger Dielektrizitätskonstanten bedeckt ist. 6 ist eine Draufsicht eines weiteren in der Erfindung bevorzugten Ansteuerschaltungssubstrates, dessen Leitungsmuster 10 eine gerundete Gestalt hat und nicht bedeckt ist.
  • 7 ist eine Draufsicht auf das Ansteuerschaltungssubstrat gemäß 6, worin das Leitungsmuster 10 mit einer Schicht 11 mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten bedeckt ist. Die vorliegenden Ausführungsformen gestatten durch die Form ihrer Leistungsmuster eine weitere Verringerung der Teilentladung auf dem Ansteuerschaltungssubstrat.

Claims (3)

  1. Leistungshalbleitermodul mit: einer Wärmesenke (1); mindestens einem Leistungshalbleitervorrichtungen (4) aufweisenden Leistungshalbleiterschaltungssubstrat (3), das auf die Wärmesenke (1) montiert ist; Ansteuerschaltungssubstraten (2) zum Ansteuern der Leistungshalbleitervorrichtungen (4), die auf der Wärmesenke (1) montiert sind; und mindestens einem Verbindungsschaltungssubstrat (13) auf der Wärmesenke (1), wobei auf den Ansteuerschaltungssubstraten (2) jeweils ein Leitungsmuster (10) angeordnet ist mit jeweils einer Befestigungsregion (15) für Elektrodenanschlüsse, und mit Chipwiderständen (14), die mit dem Leitungsmuster (10) und mit den Leistungshalbleitervorrichtungen (4) verbunden sind; einer Schicht (11) mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten, welche das Leitungsmuster (10) und die Chipwiderstände (14) bedeckt; einem Gehäuse (7), das auf der Wärmesenke (1) so angeordnet ist, daß es das mindestens eine Leistungshalbleiterschaltungssubstrat (3) mit den Leistungshalbleitervorrichtungen (4), die Ansteuerschaltungssubstrate (2) mit den Chipwiderständen (14) und das mindestens eine Verbindungsschaltungssubstrat (13) umschließt; und mit einem auf einem oberen Abschnitt des Gehäuses (7) angeordneten Deckel (8); wobei die Leitungsmuster auf dem Leistungshalbleiterschaltungssubstrat (3) mit den Leistungshalbleitervorrichtungen (4) und das Verbindungsschaltungssubstrat (13) nicht mit der Schicht (11) niedriger Dielektrizitätskonstante bedeckt sind.
  2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, bei dem die Schicht (11) mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten aus Silikongummi oder Polyimid oder Epoxidharz ausgebildet ist.
  3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Leitungsmuster (10) der Ansteuerschaltungssubstrate (2) abgerundete Ecken oder eine gerundete Gestalt aufweisen.
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