DE102007044046B4 - Verfahren zur internen Kontaktierung eines Leistungshalbleitermoduls - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Kontaktierung eines Leistungshalbleitermoduls mit folgenden Schritten: – Bereitstellen einer Bodenplatte mit mindestens einem auf einer Seite der Bodenplatte montierten Substrat; – Bereitstellen eines Rahmens eines Gehäuses und eines Anschlusselementes zur internen Kontaktierung, das zwei Kontaktbereiche aufweist, sowie einen an dem Rahmen befestigten Leiterabschnitt, welcher die beiden Kontaktbereiche des Anschlusselementes verbindet; – Positionieren des Rahmens relativ zu der Bodenplatte und damit Positionieren des Anschlusselementes relativ zu dem Substrat; – Verbinden des Rahmens mit der Bodenplatte; und – Verbinden der Kontaktbereiche des Anschlusselementes mit jeweils einem Kontaktbereich jeweils eines der Substrate mittels Ultraschallschweißen; – wobei kein Abschnitt des Anschlusselementes aus dem Rahmen herausgeführt ist.

Description

  • TECHNISCHES FELD
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur internen Kontaktierung eines Leistungshalbleitermoduls, wobei das Leistungshalbleitermodul eine Bodenplatte aufweist, auf der ein Rahmen eines Gehäuses des Leistungshalbleitermoduls und mindestens ein Substrat montiert sind.
  • HINTERGRUND
  • Ein Leistungshalbleitermodul umfasst üblicherweise eine Bodenplatte, auf der ein oder mehrere Substrate angeordnet sind. Auf jedem der Substrate sind ein oder mehrere Leistungshalbleiterbauelemente angeordnet, die normalerweise auf das jeweilige Substrat gelötet sind. Die Verdrahtung der Leistungshalbleiterbauelemente erfolgt über Leiterbahnen auf jedem der Substrate. Typischerweise befindet sich am Rand des Substrates auf der Oberfläche, auf der das Leistungshalbleiterbauelement angeordnet ist, mindestens ein Kontaktbereich, der mit einem weiteren Kontaktbereich des gleichen Substrates oder einem Kontaktbereich eines weiteren Substrates verbunden wird (interner Kontakt). Alternativ wird der Kontaktbereich des Substrates unter Verwendung eines Anschlusselementes mit einem Kontaktbereich außerhalb des Leistungshalbleitermoduls verbunden (externer Kontakt).
  • Anstelle der Verwendung eines Aluminiumdrahtes oder eines Lotes zur Herstellung eines Kontaktes ist es zur Verringerung der während des Betriebs des Leistungshalbleitermoduls auftretenden Verlustleistung wünschenswert, Kupfer als leitendes Material zu verwenden. Kupfer weist eine thermische Leitfähigkeit von 388 W/mK und einen spezifischen elektrischen Widerstand von 0,0172 Ohm·mm2/m auf. Aluminium weist eine thermische Leitfähigkeit von 226 W/mK und einen spezifischen elektrischen Widerstand von 0,028 Ohm·mm2/m auf. Durch die Verwendung von Kupfer anstelle von Aluminium kann der thermische und elektrische Widerstand nahezu halbiert werden.
  • Zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen zwei Kontaktbereichen aus Kupfer ist Ultraschallschweißen geeignet. Allerdings ist beim Ultraschallschweißen ein Halter der Fügepartner notwendig. Der zu überbrückende Abstand zwischen den zu verbindenden Kontaktbereichen beträgt bei Leistungshalbleitermodulen üblicherweise aber nur wenige Millimeter. Eine Halterung für die Verbindungselemente zwischen den Kontaktbereichen wäre in diesem Fall deutlich größer als der Abstand der zu verbindenden Kontaktbereiche. Damit besteht die Möglichkeit einer Kollision der Halterung mit Leistungshalbleiterbauelementen und anderen Komponenten in unmittelbarer Nähe des Kontaktbereiches. Zur Herstellung interner Kontakte in Leistungshalbleitermodulen wird daher bisher die Ultraschall-Schweißtechnik nicht oder nur auf besondere Fälle beschränkt verwendet.
  • Aus der DE 197 52 408 A1 ist ein Leistungsmodul bekannt, bei dem externe Hilfsanschlüsse in einen Rahmen des Modulgehäuses eingesetzt und mit einem Schaltungsblock verlötet ist.
  • Die DE 101 20 402 A1 betrifft ein Leistungshalbleitermodul-Gehäuse, das einen Korpus aus Kunststoff aufweist. In einem Träger aus Kunststoff, der mit dem Korpus wahlfrei in einer Mehrzahl von Positionen verwendbar ist, ist eine Anschlussfahne eingegossen.
  • Aus der EP 0 513 410 A1 ist ein Leistungshalbleitermodul bekannt, dessen Gehäuse auf der Innenseite Führungselemente aufweist, die an das Gehäuse angeformt sind und in denen Anschlusslaschen befestigt werden können. Im Modulinneren werden die Anschlusslaschen mit Anschlussflächen auf einem Substrat verlötet. Der Sinn der Befestigung der Anschlusslaschen in den Führungselementen besteht darin, diese Lötverbindungen zu entlasten.
  • Die DE 101 62 966 A1 zeigt ein Leistungshalbleitermodul, das zu seiner externen Kontaktierung Hauptschaltungsanschlüsse aufweist, die in das Modulgehäuse eingesetzt sind. Die Hauptschaltungsanschlüsse sind mit einem Substrat verlötet.
  • Die DE 10 2006 006 423 A1 beschreibt ein Leistungshalbleitermodul und Druckkontaktausführung. Das Modul umfasst externe Lastanschlüsse, die jeweils einen bandartigen Abschnitt mit einer Mehrzahl von Kontaktfüßen aufweisen. Mittels Silikonkissen, die zwischen benachbarten bandartigen Abschnitten angeordnet sind, und den Leiterbahnen eines Substrates wird ein Druckkontakt hergestellt.
  • Aus der US 6,262,474 B1 ist eine Halbleitereinrichtung mit Außenanschlüssen bekannt, die aus einem Modulgehäuse herausragen und die im Inneren des Moduls mit einer Kupfermetallisierung eines Substrates verlötet sind. Um bei derartigen Lötstellen die Bruchgefahr zu reduzieren, sind Anschlüssen vorgesehen, die im Inneren des Moduls jeweils vier Anschlussbereiche aufweisen, die mit der Metallisierung des Substrates verlötet sind.
  • In der WO 2007/033829 A2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls beschrieben, bei dem Kontaktelements im inneren eines Leistungshalbleitermoduls durch Ultraschallschweißen elektrisch an einem Substrat angeschlossen werden.
  • Es ist wünschenswert, Ultraschallschweißen auch bei Leistungshalbleitermodulen allgemein einsetzen zu können.
  • ÜBERBLICK
  • Die Erfindung sieht ein Verfahren zur internen Kontaktierung eines Leistungshalbleitermoduls vor. Dabei wird auf einer Seite einer Bodenplatte des Leistungshalbleitermoduls mindestens ein Substrat montiert, ein sich von der Seite der Bodenplatte mit dem Substrat wegerstreckender Rahmen eines Gehäuses mit der Bodenplatte fest verbunden, und ein Leiterabschnitt eines Anschlusselementes zur internen Kontaktierung, der die mindestens zwei Kontaktbereiche des Anschlusselementes miteinander verbindet, mit dem Rahmen an einer dem Substrat zugewandten Seite des Rahmens derart verbunden, dass durch die Positionierung des Anschlusselementes relativ zu dem Rahmen und durch die Positionierung des Rahmens relativ zu der Bodenplatte das Anschlusselement relativ zu dem Substrat positioniert wird. Dabei ist kein Abschnitt des Anschlusselementes aus dem Gehäuse herausgeführt.
  • Eine zusätzliche Halterung des Anschlusselementes beim Ultraschallschweißen kann wegen der Halterung des Anschlusselementes durch den Rahmen des Leistungshalbleitermoduls entfallen. Aufgrund der Positionierung des Anschlusselementes durch den Rahmen kann auch ein interner Kontakt ohne zusätzliche Halterung hergestellt werden. Sämtliche Systembondungen (intern und extern) können mit dem gleichen Verfahren durchgeführt werden, was gegenüber bisherigen Verfahren, bei denen zur Herstellung externer Kontakte Ultraschallschweißen und zur Herstellung interner Kontakte Ultraschall-Drahtbonden eingesetzt wird, zu einer Verringerung des Aufwands beiträgt.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
  • 1 ist eine Querschnittsdarstellung eines Teils eines Leistungshalbleitermoduls mit einem Anschlusselement zur externen Kontaktierung, das mit einem Rahmen verbunden ist und das gemäß dem Stand der Technik aus diesem herausgeführt ist;
  • 2 ist eine Querschnittsdarstellung eines Teils eines Leistungshalbleitermoduls mit einem Anschlusselement zur internen Kontaktierung, das mit einem Rahmen verbunden ist;
  • 3 ist eine weitere Querschnittsdarstellung des Anschlusselementes aus 2;
  • 4 ist eine weitere Querschnittsdarstellung des in 2 und 3 gezeigten Anschlusselementes und zusätzlicher externer Anschlusselemente;
  • 5 ist eine Querschnittsdarstellung eines Teils eines Leistungshalbleitermoduls mit einem internen Anschlusselement zur Überbrückung eines Substrates;
  • 6 ist eine Draufsicht auf das in 5 gezeigte interne Anschlusselement und auf zusätzliche externe Anschlusselemente;
  • 7 ist eine Draufsicht auf zwei miteinander verbundene und gegeneinander isolierte interne Anschlusselemente;
  • 8 ist eine Querschnittsdarstellung des Verbindungsbereiches der miteinander verbundenen Anschlusselemente aus 7;
  • 9 ist eine Draufsicht auf ein internes Anschlusselement mit einer Mäanderstruktur;
  • 10 ist eine Querschnittsdarstellung des in 9 dargestellten Anschlusselementes; und
  • 11 ist eine Draufsicht auf ein internes Anschlusselement mit einem hochohmigen Teilabschnitt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • 1 zeigt im Querschnitt einen Teil eines Leistungshalbleitermoduls mit einem Anschlusselement 25 zur externen Kontaktierung. Das Leistungshalbleitermodul umfasst ein Substrat 1 mit einer isolierenden Schicht 2. Das Substrat 1 kann als keramisches Substrat ausgeführt sein, wobei das Material der Schicht 2 aus HPS, Al2O3, AlN oder Si3N4 bestehen kann. Auf gegenüberliegenden Seiten der isolierenden Schicht 2 sind jeweils Metallisierungsschichten 3, 5 aufgebracht. Als Material für die Metallisierungsschichten 3, 5 kommt Kupfer, Aluminium oder ein anderes Metall in Frage.
  • Das in 1 gezeigte Substrat 1 ist als DCB-Substrat ausgeführt, wobei auf gegenüberliegenden Seiten der als Keramik ausgeführten Isolationsschicht 2 Kupferschichten 3, 5 mit Schichtdicken zwischen 0,1 mm und 1 mm abgeschieden sind. Andere Substrattypen, wie ”Active Metal Brazing” (AMB) Substrate, ”Direct Aluminum Bonding” (DAB) Substrate oder ”Regular Brazing Type” Substrate können alternativ benutzt werden. Das Substrat 1 kann über die gesamte Fläche 4, 6 oder teilweise mit Metallschichten 3, 5 beschichtet sein. Im Fall einer Aluminium-Metallisierung kann die Beschichtung Ni/Au, Ni/Ag, Cu, Cu/Ni/Au, Cu/Ag, Ni/Pd, NiPdAg, Ti/Ni/Au, Ti/Ni/Ag, Cr/Ni/Au oder Cr/Ni/Ag umfassen. Im Fall einer Metallisierung aus Kupfer kann die Beschichtung Au, Ag, Pd, Pt, W, Mo oder Mn umfassen. Kombinationen dieser Materialien sind möglich.
  • Die Schicht 3 des Substrates 1 ist mit einer Bodenplatte 10 an einer Oberfläche 4 der Schicht 3 verbunden. Die Bodenplatte 10 kann unbehandelt oder an dessen Oberfläche 11 nickelbeschichtet sein. Geeignete Materialien für die Bodenplatte 10 sind Kupfer, Aluminium oder ein MMC(Metal Matrix Composite)-Material. Als MMC-Material kann Kupfer, Aluminium oder eine Aluminiumverbindung als Matrix verwendet werden. Die Matrix ist gefüllt mit einem Füllmaterial, beispielsweise SiC-Pulver, Kohlenstoffgraphit, Kohlenstoffnanoröhren (carbonnano-pipes), pyroelektrische Graphite etc. oder einer Mischung dieser Füllmaterialien. Bekannte Typen von Metallmatrixverbindungen sind beispielsweise AlSiC, CuMo, CuW, CuSiC oder AlC.
  • Zur Herstellung einer Verbindung zwischen der Schicht 3 des Substrates 1 und der Bodenplatte 10 mittels der LTJT Verbindungstechnik (Low Temperature Joining Technique) kann eine Kontaktschicht (nicht gezeigt) zwischen der Oberfläche 4 der Schicht 3 und der Oberfläche 11 der Bodenplatte 10 angeordnet sein. Die Kontaktschicht kann im Fall einer Aluminiummatrix für die Bodenplatte 10 Ni/Au, Ni/Ag, Cu, Cu/Ni/Au, Cu/Ag, Ni/Pd, NiPdAg, Ti/Ni/Au, Ti/Ni/Ag, Cr/Ni/Au oder Cr/Ni/Ag umfassen. Im Fall einer Bodenplatte 10 in Form einer Kupfermatrix kann die Kontaktschicht Au, Ag, Pd, Pt, W, Mo, Mn oder eine Kombination dieser chemischen Elemente umfassen. Bei Verwendung der LTJT-Verbindungstechnik kann alternativ auf eine auf der Oberfläche 11 der Bodenplatte 10 aufgebrachte Kontaktschicht verzichtet werden, wenn in einem nachfolgenden Prozessschritt eine Kontaktschicht aktiviert wird.
  • Die Bodenplatte 10 ist mit einem Rahmen 15 an dessen Oberflächen 18, 19 fest verbunden. Eine hohe Festigkeit der Verbindung zwischen Bodenplatte 10 und Rahmen 15 wird dadurch erreicht, dass der Rahmen 15 über zwei senkrecht zueinander angeordnete Verbindungsabschnitte 20, 21 mit der Bodenplatte 10 verbunden ist. Der Verbindungsabschnitt 20 umfasst die Oberfläche 18 des Rahmens 15 und einen Teil der Oberfläche 11 der Bodenplatte 10. Der Verbindungsabschnitt 21 umfasst die Oberfläche 19 des Rahmens 15 und einen Teil der Oberfläche 12 (Stirnfläche) der Bodenplatte 10. Das Material des Rahmens 15 kann Kunststoff umfassen. Die Bodenplatte 10 kann an den Rahmen 15 angespritzt sein.
  • In 1 ist ein Anschlusselement 25 mit Kontaktbereichen 30, 31 gezeigt, die durch einen Leiterabschnitt miteinander verbunden sind, wobei der Leiterabschnitt senkrecht aufeinander stehende und einstückig ausgebildete Teilabschnitte 26, 27 aufweist. Der erste Kontaktbereich 30 des Anschlusselementes 25 ist mit einem Kontaktbereich 29 des Substrates 1 elektrisch verbunden, wobei der Kontaktbereich 29 einen Teilbereich der Schicht 5 des Substrates 1 und dessen Oberfläche 6 bildet. Die Verbindung zwischen dem ersten Kontaktbereich 30 und dem Kontaktbereich 29 des Substrates 1 kann mittels Ultraschallschweißen hergestellt werden.
  • Die Kontaktbereiche 30, 31 und Teilabschnitte 26, 27 des Leiterabschnitts zur Verbindung der Kontaktbereiche 30, 31 können aus Kupfer bestehen. Alternativ können die Teilabschnitte 26, 27 und die Kontaktbereiche 30, 31 unterschiedliche Materialien umfassen. Der Kontaktbereich 31 des Anschlusselementes 25 ist mit einem externen Kontaktbereich (nicht gezeigt) leitend verbunden. Im Bereich 28 des Anschlusselementes 25 ist das Anschlusselement 25 mit dem Rahmen 15 verbunden. Der Teilabschnitt 26 des Anschlusselementes 25 ist mit dem Rahmen 15 an der dem Substrat zugewandten Seite 17 des Rahmens 15 verbunden. Der Teilabschnitt 27 des Anschlusselementes 25 ist von der Oberfläche 11 der Bodenplatte 10 wegführend aus dem Rahmen 15 herausgeführt, auf der das Substrat 1 angeordnet ist.
  • Wie in 1 gezeigt, weist das Anschlusselement 25 die Form eines ”L” mit senkrecht zueinander angeordneten Teilabschnitten 26, 27 auf. Der Teilabschnitt 26 des Leiterabschnitts des Anschlusselementes 25 ist derart an der dem Substrat 1 zugewandten Seite 17 des Rahmens 15 mit dem Rahmen 15 verbunden, dass durch eine definierte Lage des Anschlusselementes 25 relativ zum Rahmen 15 und durch die Lage des Rahmens 15 relativ zur Bodenplatte 10 auch die Lage des Anschlusselements 25 relativ zum Substrat 1 festgelegt ist. Die Teilabschnitte 26, 27 des Anschlusselementes 25 können in den Rahmen 15 eingespritzt sein, um die Lage des Anschlusselements 25 relativ zum Rahmen 15 und damit auch relativ zum Substrat 1 festzulegen. Durch die Verbindung des Anschlusselementes 25 mit dem Rahmen 15, der einen Teil eines Gehäuses (nicht gezeigt) des Leistungshalbleitermoduls bilden kann, wird das Anschlusselement 25 gegenüber dem Kontaktbereich 29 des Substrates 1 positioniert. Eine Verbindung zwischen dem Kontaktbereich 29 des Substrates 1 und dem Kontaktbereich 30 des Anschlusselementes 25 mittels Ultraschallschweißen ist daher ohne eine zusätzliche Halterung für das Anschlusselement 25 möglich. Das Anschlusselement 25 und der Rahmen 15 bilden eine Anordnung zur Kontaktierung des in 1 gezeigten Substrats 1 des Leistungshalbleitermoduls, wobei mindestens einer der zwei Kontaktbereiche 30, 31 des Anschlusselementes 25 mit dem Kontaktbereich 29 des Substrates 1 leitend verbunden ist. Die Teilabschnitte 26, 27 des Anschlusselementes 25 sind so stabil ausgeführt, dass durch die Teilabschnitte 26, 27 die Position des Kontaktbereiches 30 relativ zu dem Rahmen 15 festgelegt ist.
  • Das Anschlusselement 25 ist in den Rahmen 15 eingespritzt und mit dem Rahmen 15 stoffschlüssig verbunden. Alternativ ist eine formschlüssige Verbindung des Anschlusselementes 25 mit dem Rahmen 15 möglich. Die Teilabschnitte 26, 27 des Leiterabschnittes des Anschlusselementes 25 können teilweise oder komplett elektrisch isoliert sein. Die Teilabschnitte 26, 27 des Anschlusselementes 25 können offen oder umspritzt ausgeführt sein.
  • Die Kontaktierung eines Substrats 1 des Leistungshalbleitermoduls kann dadurch erfolgen, dass in einem ersten Schritt auf der Oberfläche 11 der Bodenplatte 10 des Leistungshalbleitermoduls mindestens ein Substrat 1 montiert wird. Anschließend wird ein sich von der Oberfläche 11 der Bodenplatte 10 mit dem Substrat 1 weg erstreckender Rahmen 15 mit der Bodenplatte 10 fest verbunden. Nachfolgend wird ein Leiterabschnitt des Anschlusselementes 25, das mindestens zwei Kontaktbereiche 30, 31 des Anschlusselementes 25 miteinander verbindet, mit dem Rahmen 15 an einer dem Substrat 1 zugewandten Seite 17 des Rahmens 15 derart miteinander verbunden, dass durch die Positionierung des Anschlusselementes 25 relativ zu dem Rahmen 15 und durch die Positionierung des Rahmens 15 relativ zu der Bodenplatte 10 das Anschlusselement 25 relativ zu dem Substrat 1 positioniert wird. Anschließend kann der Kontaktbereich 30 des Anschlusselementes 25 mit dem Kontaktbereich 29 des Substrates 1 leitend verbunden werden.
  • 2 zeigt im Querschnitt einen Teil eines Leistungshalbleitermoduls mit einem Substrat 1, einer Bodenplatte 10, einem Rahmen 15 und einem Anschlusselement 35. Das Anschlusselement 35 umfasst einen ersten Kontaktbereich 36 und einen Leiterabschnitt 37, 38, wobei der Leiterabschnitt 37, 38 über einen Steg mit den Abschnitten 46, 50 mit dem Rahmen 15 an einer dem Substrat 1 zugewandten Seite 17 des Rahmens verbunden ist. Die Dicke 49 des Stegabschnitts 46, die Dicke 53 des Stegabschnitts 50, der sich innerhalb des Rahmens 15 befindet, und der Abstand 22 zwischen dem Stegabschnitt 50 und der dem Substrat 1 zugewandten Seite 17 des Rahmens 15 sind derart bestimmt, dass die Lage des Leiterabschnitts 37, 38 relativ zu dem Rahmen 15 festgelegt ist. Durch die Lage des Anschlusselementes 35 relativ zu dem Rahmen 15 und durch die Lage des Rahmens 15 relativ zu der Bodenplatte 10 ist auch die Lage des Anschlusselements 35 relativ zu dem Substrat 1 festgelegt.
  • Der die Abschnitte 46, 50 aufweisende Steg des Anschlusselementes 15 kann aus einem Material bestehen, das Kunststoff umfasst. Wie in 2 gezeigt, ist der die Abschnitte 46, 50 aufweisende Steg in den Rahmen 15 eingespritzt. Die Teilabschnitte 46, 50 des von dem Anschlusselement 35 umfassten Steges, mit dem der Leiterabschnitt 37, 38 mit dem Rahmen 15 verbunden ist, können einstückig ausgebildet sein. Der erste Kontaktbereich 36 des Anschlusselementes 35 ist mit dem Kontaktbereich 41 des Substrates 1 leitend verbunden.
  • Die 3 zeigt im Querschnitt das Anschlusselement 35 zusammen mit dem externen Anschlusselement 25 und einem weiteren externen Anschlusselement 60. Das Anschlusselement 35 wird dadurch gebildet, dass mindestens zwei Kontaktbereiche 36, 40 miteinander durch einen Leiterabschnitt 37, 38, 39 verbunden werden. Ein Kontaktbereich 36 der mindestens zwei Kontaktbereiche 36, 40 des Anschlusselementes 35 wird mit einem Kontaktbereich 41 des Substrates 1 leitend verbunden, wobei das Substrat 1 auf einer Oberfläche 11 der Bodenplatte 10 montiert wird. Der Leiterabschnitt 38 des Anschlusselementes 35 ist mit dem Rahmen 15, der mit der Bodenplatte 10 fest verbunden ist, derart verbunden (vgl. 2), dass durch die Positionierung des Anschlusselementes 35 relativ zu dem Rahmen 15 und durch die Positionierung des Rahmens 15 relativ zu der Bodenplatte 10 auch das Anschlusselement 35 relativ zu dem Substrat 1 positioniert wird.
  • Ein zweiter Kontaktbereich 40 des Anschlusselementes 35 ist mit dem Kontaktbereich 42 eines weiteren Substrates 1' leitend verbunden, wobei das Anschlusselement 35 einen internen Kontakt zwischen dem Kontaktbereich 41 des Substrates 1 und dem Kontaktbereich 42 des Substrates 1' herstellt. Das Substrat 1' weist eine isolierende Schicht 51 auf, auf deren gegenüberliegenden Seiten Metallschichten 58, 54 aufgebracht sind. An einer Unterseite 53 der Schicht 58 des Substrates 1' ist das Substrat 1' mit der Bodenplatte 10 verbunden.
  • Das Anschlusselement 35 weist senkrecht zu den Oberflächen 6, 55 der Substrate 1, 1' angeordnete Teilabschnitte 37, 39 auf, die über den Teilabschnitt 38 miteinander verbunden sind. Zusammen mit den Kontaktbereichen 36, 40, die plan auf den Kontaktbereichen 41, 42 der Substrate 1, 1' aufliegen, bilden die Abschnitte 37, 38, 39 das Anschlusselement 35 mit der Form einer Brücke oder eines Bügels. Der Abschnitt 38 weist eine Länge 44 auf, die ausreicht, um die Kontaktbereiche 36, 40 direkt miteinander zu verbinden. Die sich von den Oberflächen 6, 55 der Substrate 1, 1' wegerstreckenden Teilabschnitte 37, 39 sind in das Anschlusselement 35 eingefügt, um einen Dehnungsbogen zur Aufnahme thermomechanischer Spannungen zu bilden. Anstelle eines Dehnungsbogens kann im Leiterabschnitt 37, 38, 39 alternativ oder zusätzlich eine Verjüngung ausgebildet sein. Die Dicke 43 bezeichnet die Dicke des Teilabschnitts 38, die der Dicke der Teilabschnitte 37, 39 des Anschlusselementes 35 entspricht. Die Lage der Kontaktbereiche 36, 39 des Anschlusselementes 35 ist durch die mit dem die Abschnitte 46, 50 aufweisenden Steg bewirkte Verbindung des Teilabschnitts 38 mit dem Rahmen 15 festgelegt. Die Dicke 43 eines aus Kupfer bestehenden formstabilen Leiterabschnitts 37, 38, 39 kann zwischen 0,1 und 5 mm liegen, wobei die Breite 45 (siehe 4) zwischen 0,5 und 30 mm betragen kann.
  • Neben dem Anschlusselement 25 zur externen Kontaktierung ist in 3 ein weiteres Anschlusselement 60 zur externen Kontaktierung gezeigt, wobei ein erster Anschlussbereich 61 des Anschlusselementes 60 mit einem Kontaktbereich 56 des Substrates 1' leitend verbunden ist. Im Gegensatz zum Anschlusselement 25 ist das Anschlusselement 60 in den Rahmen 15 nicht eingespritzt, sondern mit dem Teilabschnitt 63 des Anschlusselementes 60 in den Rahmen 15 eingesteckt.
  • Der Rahmen 15 weist eine Aufnahme auf, in die der Teilabschnitt 63 des Leiterabschnitts 62, 63 des Anschlusselementes 60 formschlüssig, wie in 4 gezeigt, eingesteckt ist. Durch die formschlüssige Steckverbindung zwischen dem Anschlusselement 60 und dem Rahmen 15 ist das Anschlusselement 60 in seiner Lage fixiert und gegen Herausfallen gesichert. Die Breite 64 und Länge 65 des in den Rahmen 15 eingesteckten Abschnitts 63 des Anschlusselementes 60 sind derart bestimmt, dass die Lage des Kontaktbereichs 61 des Anschlusselementes 60 durch die Verbindung zwischen dem Anschlusselement 60 und dem Rahmen 15 festgelegt ist. Die Breite und Tiefe der Aufnahme in dem Rahmen 15 entsprechen der Dicke 64 und der Breite 65 des Teilabschnitts 63 des Anschlusselementes 60. Nach Ausbildung der Aufnahme für das Anschlusselement 60 in den Rahmen 15 wird das Anschlusselement 60 in die Aufnahme des Rahmens 15 eingesteckt. Es ist möglich, Aufnahmen für Anschlusselemente an sämtlichen dem mindestens einen Substrat 1, 1' zugewandten Seiten des Rahmens 15 auszubilden. Der Abschnitt 63 des Anschlusselementes 60 ist, wie in den 3 und 4 gezeigt, an der Oberseite 16 des Rahmens 15 in von den Substraten 1, 1' wegführender Richtung aus dem Rahmen 15 herausgeführt. Beispielhaft ist auf dem Substrat 1 ein Leistungshalbleiterbauelement 8 angeordnet, wobei das Leistungshalbleiterbauelement 8 ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), eine Diode, ein Thyristor, oder ein MOSFET sein kann. Die Anordnung anderer Leistungshalbleiterbauelemente und Komponenten auf den Substraten 1, 1' ist alternativ oder zusätzlich möglich.
  • Das Anschlusselement 35 umfasst einen Steg mit den Abschnitten 46, 50. Der Steg weist zwei zueinander rechtwinklig angeordnete Abschnitte 46, 50 auf, von denen der Abschnitt 50 vollständig innerhalb des Rahmens 15 angeordnet ist. Der Steg mit den Abschnitten 46, 50 hat eine Form mit einer Überschneidung, im vorliegenden Fall die eines ”T”. Als solche Formen kommen auch zum Beispiel Kreise und Halbkreise mit Steg in Betracht. Die Breite 48 und Länge 47 bezeichnen Breite und Länge des Abschnitts 46 des Steges 46, 50. Die Lage der Kontaktbereiche 36, 40 des Anschlusselementes 35 ist durch die durch den Steg 46, 50 bewirkte Verbindung des Abschnitts 38 des Anschlusselementes 35 mit dem Rahmen 15 festgelegt. Weiterhin bezeichnen die Breite 51 und Länge 52 die Breite und die Länge des Abschnitts 50 des Steges 46, 50. Der Steg 46, 50 und der Leiterabschnitt 37, 38, 39 können einstückig ausgebildet sein. Alternativ kann der Leiterabschnitt 37, 38, 39 in den Steg 46, 50 eingesteckt oder eingespritzt sein. Mit dem Anschlusselementen 35, 60 ist es möglich, sämtliche Kontaktverbindungen des in 4 gezeigten Leistungshalbleitermoduls als ultraschallgeschweißte Bondungen ohne zusätzliche Halterungen auszuführen.
  • In 5 ist im Querschnitt ein Teil eines Leistungshalbleitermoduls mit einem Anschlusselement 90 zur internen Kontaktierung der Substrate 1 und 80 gezeigt. Das Anschlusselement 90 weist einen ersten Kontaktbereich 91 auf, der mit dem Kontaktbereich 96 des Substrates 1 leitend verbunden ist. Der Kontaktbereich 91 weist einen Abstand 7 von dem Rand der Schicht 5 des Substrates 1 auf. Ein zweiter Kontaktbereich 95 des Anschlusselementes 90 ist mit einem Kontaktbereich 97 des Substrates 80 leitend verbunden. Das Substrat 80 weist eine isolierende Schicht 81 und Metallschichten 82, 84 auf, die an gegenüberliegenden Seiten der isolierenden Schicht 81 mit dieser verbunden sind. Die Schicht 82 ist mit der Bodenplatte 10 an der Oberfläche 83 der Schicht 82 verbunden. Der zweite Anschlussbereich 97 des Anschlusselementes 90 weist einen Abstand 86 vom Rand der Schicht 84 mit der Oberfläche 85 auf.
  • Das Anschlusselement 90 weist die Form einer Brücke auf, wobei ein Teilabschnitt 93 des Leiterabschnitts 92, 93, 94 des Anschlusselementes 90 eine Länge 99 aufweist, die dem Abstand der Kontaktbereiche 96 des Substrates 1 und 97 des Substrates 80 entspricht. Die Dicke 98 bezeichnet die Dicke des Teilabschnitts 93, die der Dicke der Teilabschnitte 92, 94 des Leiterabschnitts des Anschlusselementes 90 entspricht. Die Lage der Kontaktbereiche 91, 95 des Anschlusselementes 90 relativ zu den Substraten 1, 80 ist durch die Verbindung des Teilabschnitts 93 mit dem Rahmen 15 (siehe 6) festgelegt. Wie in 5 gezeigt, ist es möglich, das Anschlusselement 90 derart stabil auszubilden, dass das Anschlusselement ein weiteres Substrat 70 überbrücken kann. Das Substrat 70 weist wie die Substrate 1, 80 eine isolierende Schicht 71 auf, auf deren gegenüberliegenden Seiten Metallschichten 72, 74 aufgebracht sind. Die Schicht 72 ist mit der Bodenplatte 10 an einer Oberfläche 73 der Schicht 72 verbunden.
  • In 6 ist das Anschlusselement 90 in einer Draufsicht zusammen mit Anschlusselementen 25 zur externen Kontaktierung gezeigt. Das Anschlusselement 90 weist einen Steg 101, 106 auf, wobei der Abschnitt 101 eine Länge 102 und Breite 103 und der Teilabschnitt 106 eine Länge 107 und Breite 108 aufweist. Der Teilabschnitt 106 des Steges 101, 106 weist von der den Substraten 1, 70, 80 zugewandten Seite des Rahmens 15 einen Abstand 23 auf. Der Abschnitt 101 ist zu dem Abschnitt 106 des Steges 101, 106 rechtwinklig angeordnet. Die Länge 99 und Breite 100 bezeichnet die Länge und die Breite des Abschnitts 93 des Leiterabschnitts des Anschlusselementes 90, die Länge 102 und Breite 103 die Abmessungen des Teilabschnitts 101 und die Länge 107 und Breite 108 die Abmessungen des Teilabschnitts 106. Die Lage der Kontaktbereiche 91, 95 relativ zu den Substraten 1, 80 ist durch die Verbindung des Anschlusselementes 90 mit dem Rahmen 15 festgelegt.
  • Der Abschnitt 93 des Anschlusselementes 90 verbindet die Kontaktbereiche 91, 95 des Anschlusselementes 90 miteinander. Der Teilabschnitt 106 des Steges 101, 106 dient der Verankerung des Anschlusselementes 90 an dem Rahmen 15. Der Teilabschnitt 101 des Steges 101, 106 verbindet an dessen Oberflächen 104, 105 den Teilabschnitt 93 mit dem Teilabschnitt 106. Der Teilabschnitt 101 bildet sowohl mit dem Teilabschnitt 93 als auch mit dem Teilabschnitt 106 jeweils die Form eines ”T”. Die Abschnitte 93, 101 und 106 sind derart zueinander angeordnet und miteinander verbunden, dass ein interner Kontakt zwischen den Substraten 1, 80 auch in der Mitte der Bodenplatte 10 möglich ist. Falls der Rahmen 15 eine Aufnahme mit den Maßen 103, 23, 107 und 108 aufweist, kann das Anschlusselement 90 in dem Rahmen 15 eingesteckt werden. Alternativ kann das Anschlusselement 90 mit den Teilabschnitten 101, 106 in den Rahmen 15 eingeschweißt sein.
  • In 7 ist eine Draufsicht auf ein Leistungshalbleitermodul mit einer Bodenplatte 10 gezeigt, auf die ein Rahmen 15 und Substrate 1, 70, 80 und 88 aufgebracht sind. An sich gegenüberliegenden Seiten des Rahmens 15 ist ein erstes Anschlusselement 111, 112, 113, 114, 115 und ein zweites Anschlusselement 117, 118, 119, 120, 121 befestigt. Der Leiterabschnitt 111, der an seinen Enden mit sich gegenüberliegenden Seiten des Rahmens 15 über den Steg 112, 113 und den Steg 114, 115 befestigt ist, stellt einen internen Kontakt zwischen dem Substrat 1 und dem Substrat 80 her. Der Leiterabschnitt 117, der an seinen Enden mit sich gegenüberliegenden Seiten des Rahmens 15 über den Steg 118, 119 und über den Steg 120, 121 verbunden ist, stellt einen weiteren internen Kontakt zwischen den Substraten 70 und 88 her. Durch die Verankerung der Leiterabschnitte 111, 117 an jeweils gegenüberliegenden Seiten des Rahmens 15 kann ein interner Kontakt mit einer Länge hergestellt werden, die dem Abstand von sich gegenüberliegenden Seiten des Rahmens 15 entspricht. Die Stege 112, 113; 114, 115; 118, 119 und 120, 121 können in den Rahmen 15 eingeschweißt oder in Aufnahmen in dem Rahmen 15 eingesteckt sein, die in den Rahmen 15 eingefügt sind.
  • Die Leiterabschnitte 111, 117 können komplett isoliert sein wobei an der Stelle 116 die Anschlusselemente 112–115 und 117–121 einen Verbund aus mehreren Leiterebenen bilden. Die Leiterabschnitte 111, 117 der Anschlusselemente 112 bis 115 und 117 bis 121 sind sich kreuzend angeordnet und mit sich gegenüberliegenden Seiten des Rahmens 15 verbunden.
  • Der Bereich 116 ist im Querschnitt in 8 gezeigt. Mehrere Verdrahtungsebenen mit den Leiterabschnitten 111, 117 werden dadurch gebildet, dass die Anschlusselemente 112–115 und 117–121 außerhalb des Rahmens 15 und oberhalb der Bodenplatte 10 miteinander mittels einer Schicht 122 isoliert voneinander verbunden sind. Es ist möglich, dass die Leiterabschnitte 111, 117 jeweils komplett umspritzt werden. Durch die Bildung mehrere Verdrahtungsebenen mit den Leiterabschnitten 117, 118 oberhalb der Schichten 5, 74 und 84 der Substrate 1, 70 und 80 ist es möglich, die Leiterabschnitte 111, 117 der Anschlusselemente 111 bis 115 und 117 bis 121 mit jeweils unterschiedlichen Potenzialen zu beaufschlagen. Die Schicht 122 zur Isolierung der Leiterabschnitte 111 und 117 voneinander ist im Fall einer kompletten Umspritzung der Leiterabschnitte 111, 117 ein Teil der Ummantelung 122, 123 des Leiterabschnitts 117 und der Ummantelung 122, 123 der Ummantelung des Leiterabschnitts 111.
  • In 9 ist ein Anschlusselement 135 zur internen Kontaktierung zwischen den Substraten 1 und 1' in einer Draufsicht gezeigt. Das Anschlusselement 135 weist einen ersten Kontaktbereich 136 und einen zweiten Kontaktbereich 142 auf, wobei die Kontaktbereiche 136, 142 über Abschnitte 137, 138, 139, 140, 141 eines Leiterabschnitts des Anschlusselementes 135 verbunden werden. Der Abschnitt 138 des Anschlusselementes 135 ist mit einem Steg 46 verbunden, wobei der Steg 46 mit einem Rahmen (nicht gezeigt) verbunden ist.
  • Der Abschnitt 139 des Anschlusselementes 135 umfasst Unterabschnitte 145, 146 mit einer Dicke 144, die eine Mäanderstruktur bilden. Die Dicke 144 der Unterabschnitte 145, 146 ist kleiner als die Dicke 143 der Abschnitte 138, 140, so dass der Abschnitt 139 gegenüber den Abschnitten 138, 140 verjüngt ist. Bei einem vorgegebenen Abstand der Kontaktbereiche 136, 142 ist aufgrund der Mäanderstruktur des Abschnitts 139 eine Verlängerung der Leiterbahn des Leiterabschnitts 137 bis 141 gegenüber einer direkten Verbindung der Kontaktbereiche 136, 142 gegeben. Durch eine Einstellung der Leiterbahnlänge und der Leiterbahndicke 144 des mäanderförmigen Abschnitts 139 kann ein bestimmter elektrischer Widerstand des Leiterabschnitts 137–141 eingestellt werden.
  • Wie in 10 im Querschnitt gezeigt, ist es möglich, dass ein mit einer Mäanderstruktur versehenes Anschlusselement 139 eine Brückenform, die durch die Abschnitte 137–141 gebildet werden, zur Aufnahme thermomechanischer Spannungen aufweist.
  • Eine Alternative zu dem in den 9 und 10 gezeigten Anschlusselement 135 mit einem bestimmten elektrischen Widerstand ist in einer Draufsicht in 11 gezeigt. Das Anschlusselement 150 weist einen ersten Kontaktbereich 151 und einen zweiten Kontaktbereich 157 auf, die über Abschnitte 152, 153, 154, 156 miteinander verbunden sind. Der Abschnitt 153 ist mit einem Steg 46 verbunden, wobei der Steg 46 mit einem Rahmen (nicht gezeigt) verbunden ist. Zwischen den Abschnitten 153 und 155 ist ein hochohmiger Teilabschnitt 154 des Leiterabschnitts 152–156 aus einem Material angeordnet, das sich von dem Material der Teilabschnitte 152, 153, 155, 156 unterscheidet. Der Abschnitt 154 ist an den Schnittflächen 159, 160 elektrisch leitend mit den Abschnitten 153, 155 verbunden. Der Kontaktbereich 151, 157 des Anschlusselementes kann 150 ein Material umfassen, das sich von dem/denen des Leiterabschnitts 152 bis 156 unterscheidet. Der elektrische Widerstand der Leiterabschnitte 137 bis 141 des Anschlusselementes 135 oder des Leiterabschnittes 152 bis 156 des Anschlusselementes 150 kann derart bestimmt sein, dass der Wert eines Gate-Widerstandes, beispielsweise des Gates eines IGBT-Transistors, eingestellt ist.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Kontaktierung eines Leistungshalbleitermoduls mit folgenden Schritten: – Bereitstellen einer Bodenplatte mit mindestens einem auf einer Seite der Bodenplatte montierten Substrat; – Bereitstellen eines Rahmens eines Gehäuses und eines Anschlusselementes zur internen Kontaktierung, das zwei Kontaktbereiche aufweist, sowie einen an dem Rahmen befestigten Leiterabschnitt, welcher die beiden Kontaktbereiche des Anschlusselementes verbindet; – Positionieren des Rahmens relativ zu der Bodenplatte und damit Positionieren des Anschlusselementes relativ zu dem Substrat; – Verbinden des Rahmens mit der Bodenplatte; und – Verbinden der Kontaktbereiche des Anschlusselementes mit jeweils einem Kontaktbereich jeweils eines der Substrate mittels Ultraschallschweißen; – wobei kein Abschnitt des Anschlusselementes aus dem Rahmen herausgeführt ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Anschlusselement in den Rahmen eingespritzt wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem in den Rahmen eine Aufnahme eingefügt wird und das Anschlusselement in die Aufnahme des Rahmens eingesteckt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem mehrere Anschlusselemente außerhalb des Rahmens voneinander isoliert miteinander verbunden werden und mehrere Verdrahtungsebenen gebildet werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem Leiterabschnitte mehrerer Anschlusselemente jeweils komplett umspritzt werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem an die Leiterabschnitte der Anschlusselemente jeweils unterschiedliche Potenziale angelegt werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die Leiterabschnitte der Anschlusselemente sich kreuzend angeordnet werden.
  8. Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Anschlusselement mit sich gegenüberliegenden Seiten des Rahmens verbunden wird.
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