DE102008052029A1 - Halbleitermodul mit Schaltbauteilen und Treiberelektronik - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Halbleitermodul, das wenigstens einen Halbleiterchip, der auf einem Trägersubstrat angeordnet ist aufweist. Ein Treiberbauelement zum Schalten des Halbleiterchips ist auf einer Platine angeordnet. Eine Abdeckung ist auf der Oberseite des Halbleitermoduls angeordnet. Das Halbleitermodul hat ein Gehäuse, in dem das Trägersubstrat und die Platine übereinander angeordnet sind, wobei die Platine eine sichere galvanische Trennung aufweist.
Description
- TECHNISCHES GEBIET
- Die Erfindung betrifft das Gebiet der Halbleiterleistungsmodule, mit schaltenden Halbleiterbauelementen und der für deren Betrieb notwendige Treiberelektronik.
- HINTERGRUND
- Leistungshalbleitermodule sind typischerweise als Standardmodule oder als IPM („intelligent Power module") ausgeführt. Beide Arten umfassen einen oder mehrere Leistungshalbleiterchips mit einem Halbleiterschalter oder auch mit mehreren Halbleiterschaltern, die zu Halbbrücken oder Dreiphasenbrücken („six packs") verschaltet sind. Die für den Betrieb der Halbleiterschalter notwendige Treiberelektronik ist in IPMs bereits integriert. Im Gegensatz dazu müssen die Treiberschaltungen bei Standardmodulen vom Anwender bereitgestellt werden. In beiden Fällen, auch wenn IPMs verwendet werden, muss, wenn das Modul mit externen elektronischen Komponenten (z. B. Steuerelektronik) verbunden werden soll, aus Sicherheitsgründen vom Anwender eine galvanische Trennung zwischen dem Leistungshalbleitermodul und den externen elektronischen Komponenten vorgesehen werden.
- Wird, wie bei IPMs, eine Treiberschaltung in das Leistungshalbleitermodul integriert, dann hat der Anwender erst dann einen Vorteil, wenn die galvanische Trennung von Leistungsteil, d. h. den Chips mit den Leistungshalbleiterschaltern, und Treiberschaltung so ausgeführt wird, dass ein anwendungs spezifischer Mikrokontroller oder ein ähnliches Steuergerät direkt mit dem Modul verbunden werden kann, ohne dass zusätzliche galvanisch trennende Übertragungsstrecken vorzusehen sind. Hierzu wäre jedoch eine sichere galvanische Trennung innerhalb des Halbleitermoduls erforderlich, die bisher mit IPM-Bauelementen nicht erreicht wird.
- Der Flächenbedarf für die Integration einer galvanischen Trennung wäre derart groß, dass konventionelle Halbleitermodule mit integrierter galvanischer Trennung zwischen Leistungsteil und Treiberschaltung derartige Außenmaße erreichen, dass sie unhandlich und für den Bedarf der Praxis ungeeignet wären. Es besteht folglich ein Bedarf an Leistungshalbleitermodulen mit einer verbesserten integrierten galvanischen Trennung.
- ZUSAMMENFASSUNG
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Halbleitermodul, das wenigstens einen Halbleiterchip mit wenigstens einem darin integrierten Halbleiterschalter, der auf einem Trägersubstrat angeordnet ist, aufweist. Eine Treiberschaltung zum Ansteuern der Halbleiterschalter ist auf einer Platine angeordnet. Das Halbleitermodul umfasst ein Gehäuse, in dem das Trägersubstrat und die Platine übereinander angeordnet sind, wobei die Platine oder das Treiberbauelement eine galvanisch sicher trennende Übertragungsstrecke aufweist.
- Weitere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung sind mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben.
- KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Die folgenden Figuren und die weitere Beschreibung soll helfen, die Erfindung besser zu verstehen. Die Elemente in den Figuren sind nicht unbedingt als Einschränkung zu verstehen, vielmehr wird Wert darauf gelegt, das Prinzip der Erfindung darzustellen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen korrespondierende Teile.
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1 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild eines Halbleitermoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleitermodul gemäß dem Ausführungsbeispiel der1 ; -
3 bis10 zeigen Querschnitte durch Komponenten bei der Herstellung des Halbleitermoduls gemäß2 ; -
3 zeigt einen Querschnitt durch ein Hohlraumgehäuse; -
4 zeigt einen Querschnitt durch ein Trägersubstrat; -
5 zeigt einen Querschnitt durch das Hohlraumgehäuse gemäß3 nach Anbringen des Trägersubstrats gemäß4 ; -
6 zeigt einen Querschnitt durch eine Platine mit Treiberbauelementen; -
7 zeigt einen vergrößerten Querschnitt durch eine Platine; -
8 zeigt einen Querschnitt durch das Hohlraumgehäuse gemäß5 mit eingebauter Platine gemäß6 und einem Kühlkörper sowie einer Abdeckung vor einem Zusammenbau zu einem Halbleitermodul; -
9 zeigt einen Querschnitt durch das zusammengebaute Halbleitermodul gemäß8 und eine anwendungsspezifische Schaltungsplatine für ein derartiges Halbleitermodul; -
10 zeigt einen Querschnitt durch das Halbleitermodul mit aufgebrachter anwendungsspezifischer Schaltungsplatine. - DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild eines Leistungshalbleitermoduls1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In dem Leistungshalbleitermodul1 sind drei Blöcke44 ,45 und46 angeordnet. Dabei weist der Block44 eine oder mehrere Treiberschaltungen mit einem Treiberbauelement7 auf. Der Block45 stellt die galvanische Trennung von Treiberschaltung und einem in Block46 angeordneten Leistungsteil sicher. Die galvanische Trennung (Block45 ) kann in dem Treiberbauelement7 oder in einer Platine9 , auf dem das Treiberelement7 montiert ist, integriert sein. Der Block46 beherbergt das Leistungsteil, das in diesem Beispiel vier Halbleiterchips2 und3 mit jeweils einem Leistungshalbleiterschalter umfasst, die zu einer Halbbrückenschaltung verbunden sind. Des weiteren kann jedem Transistor eine Freilaufdiode (nicht dargestellt) parallel geschaltet sein. Diese Freilaufdioden können entweder jeweils in einem separaten Chip oder zusammen mit dem jeweiligen Transistor in einem gemeinsamen Chip angeordnet sein. - An das Halbleitermodul
1 kann eine anwendungsspezifische Schaltungsplatine11 als weiterer Schaltungsblock69 angeschlossen werden. Dieser Schaltungsblock69 kann z. B. einen Mikrokontroller als Steuereinheit aufnehmen. Die anwendungsspezifische Schaltungsplatine11 kann schließlich mit einer Schnittstelle53 eines übergeordneten elektronischen Gerätes zusammenwirken. -
2 zeigt einen Querschnitt durch ein Halbleitermodul1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Halbleitermodul1 weist wenigstens einen Halbleiterchip2 auf, der auf einem Trägersubstrat6 , z. B. einem DCB-Substrat, angeordnet ist. In dieser Ausführungsform der Erfindung sind auf dem Trägersubstrat6 vier Halbleiterchips2 ,3 ,4 und5 aufgebracht, die eine Vollbrückenschaltung bilden. Die Freilaufdioden sind in diesem Beispiel nicht gesondert dargestellt. Wenn wie oben erwähnt die Freilaufdioden in separaten Chips angeordnet sind ergibt sich eine Gesamtzahl von acht Halbleiterchips im Modul. - Ferner weist das Halbleitermodul
1 wenigstens ein Treiberbauelement7 auf, das auf der Platine9 angeordnet ist. In diesem Beispiel steuern zwei Treiberbauelemente7 und8 jeweils eine Halbbrücke an, wobei die erste Halbbrüche durch die Chips2 und3 und die zweite Halbbrücke durch die Chips4 und5 gebildet wird. Auch diese Schaltungsanordnung ist lediglich als Beispiel zu verstehen. Es ist auch möglich für jeden einzelnen Transistor ein eigenes Treiberbauelemente vorzusehen. Die Platine9 und das DCB-Substrat6 sind durch mindestens einen leitenden Verbindungssteg, über den die von den Treiberbauelementen7 ,8 erzeugten Treibersignale (Gatesignale) an die Steueranschlüsse der Leistungsbauelemente gekoppelt sind, miteinander elektrisch verbunden. - Das Halbleitermodul
1 kann darüber hinaus eine Abdeckung10 aufweisen. Die Platine9 umfasst zudem Verbindungselemente41 und42 und Kontaktstifte29 ,30 für ein Verbinden der Platine9 mit einer hier nicht gezeigten anwendungsspezifischen Platine (vgl. Bezugszeichen11 in1 ). - Das Halbleitermodul
1 weist ein Gehäuse12 auf, das derart ausgestaltet ist, dass das Trägersubstrat6 und die Platine9 übereinander angeordnet werden können. Die Platine9 weist eine galvanische Trennung zwischen den für den Anwender vor gesehenen elektrischen Steueranschlüssen und den Schaltungschips2 bis5 (d. h. dem Leistungsteil) auf. Steuersignale, die an die Treiberbauelemente7 und8 gegeben werden, werden mittels berührungsloser Kopplung zu den Halbleiterchips2 bis5 übertragen. Dazu weist entweder die Platine9 mehrere elektrisch voneinander isolierte, elektrisch leitende Verdrahtungslagen18 ,19 und20 auf, die kernfreie Übertragerschleifen bilden, oder die Treiberbauelemente7 enthalten selbst einen (beispielsweise mit Hilfe von planaren Spulen aufgebauten) kernlosen Übertrager („coreless transformer"). Der kernlose Übertrager der Platine9 bzw. der Treiberbauelemente7 und8 ermöglichen eine berührungsfreie, induktive Kopplung zwischen den für den Anwender zugänglichen elektrischen Anschlüssen des Moduls und den Leistungshalbleiterchips2 bis5 . - Die über dem Leistungsteil (Chips
2 bis5 ) angeordnete Platine9 mit den darauf angeordneten Treiberbauelementen7 und8 ermöglicht einen kompakten, Flächen sparenden Aufbau des Halbleitermoduls1 . Dazu kann die Platine9 eine strukturierte, Leiterbahnen bildende Metallbeschichtung auf der Oberseite16 aufweisen. Außerdem hat die Platine9 , wie oben erwähnt, eine mehrlagige laterale Verdrahtung mit vertikalen „vergrabenen" Verbindungsstegen17 („buried vias") zum Verbinden der Verdrahtungslagen18 ,19 und20 mit den Treiberbauelementen7 und8 . In diesem Zusammenhang werden unter „vergrabenen" Verbindungsstegen17 vertikale Verbindungsleitungen (Vias) verstanden, die keine Durchkontakte durch die Platine9 ausbilden, sondern auf einer der innenliegenden Verdrahtungslagen18 ,19 oder20 enden. In dem vorliegenden Beispiel sind drei Verdrahtungslagen18 ,19 oder20 vorgesehen. Selbstverständlich können je nach den Erfordernissen der Anwendung auch mehr oder weniger Verdrahtungslagen vorgesehen sein. - Die Unterseite
21 ist aufgrund der vergrabenen Verbindungsstege17 frei von Verbindungsstegen und kann entweder mit einer Isolationsschicht, einer elektrisch leitenden Schicht, einer Abschirmschicht oder einer thermisch isolierenden Schicht versehen sein. Eine thermisch isolierenden Schicht schützt die Treiberbauelemente7 und8 vor der Wärmeentwicklung des darunter angeordneten Leistungsteils des Halbleitermoduls1 . - Das Halbleitermodul
1 kann mit seinem Trägersubstrat6 auf einem Kühlkörper39 fixiert sein. Für diese Fixierung kann das Halbleitermodul1 beispielsweise eine zentrale Verschraubung27 aufweisen, welche die Abdeckung10 auf das Modulgehäuse presst. Dabei wird der Kühlkörper39 mittels der Verschraubung27 mit seiner Oberseite49 auf das Substrat6 gepresst. Neben den oben bereit erwähnten Vorteilen der Raumersparnis und der Flächenreduzierung hat das Halbleitermodul1 den Vorteil einer einfachen Austauschbarkeit defekter Komponenten. - Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls
1 weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird ein Hohlraumgehäuse12 mit einem Gehäuserahmen22 hergestellt, wobei der Gehäuserahmen22 mehrere Montageabsätze24 ,25 und26 aufweist. Ferner wird ein Trägersubstrat6 mit mindestens einem Leistungshalbleiterchip2 und in diesem Ausführungsbeispiel vier Leistungshalbleiterchips2 ,3 ,4 und5 hergestellt. Anschließend wird das Trägersubstrat6 auf den ersten unteren Montageabsatz24 des Gehäuserahmens22 aufgebracht und die Leistungshalbleiterchips2 ,3 ,4 und5 werden in eine Weichvergussmasse15 eingebettet. Beim Aufbringen des Trägersubstrats6 auf den ersten unteren Montageabsatz24 werden die Zuführungen43 in Form von Flachleiterenden mit einer oberen strukturierten Metallschicht60 des Trägersubstrats6 durch Ultraschallschweißen verbunden. Neben Ultraschallschweißen sind als Verbindungstechniken auch Löten oder Punkt- bzw. Laserschweißen möglich. - Weiterhin wird eine Platine
9 mit Treiberbauelementen7 und8 auf ihrer Oberseite16 hergestellt. Die Platine9 wird dazu auf einem zweiten Montageabsatz25 oberhalb des ersten Montageabsatzes24 angeordnet. Schließlich wird eine Abdeckung10 mit einer zentralen Bohrung51 hergestellt und ein Kühlkörper39 , der eine zentrale Gewindebohrung52 aufweist, bereitgestellt. Die Abdeckung10 kann dann auf einem oberen dritten Montageabsatz26 oberhalb der zweiten Montageabsatzes25 aufgebracht werden. - Über eine Verschraubung
27 durch die zentrale Bohrung51 , welche auch die Platine9 sowie das Trägersubstrat6 aufweisen, wird die Abdeckung10 mit der Gewindebohrung52 des Kühlkörpers39 mechanisch verbunden. Die Verschraubung27 sorgt für ausreichenden Druck des Kühlkörpers39 auf das Trägersubstrat6 . Das Substrat muss jedoch nicht zwangsläufig eine Bohrung haben. Es können, je nach Anwendungsfall, auch mehrere Substrate so im Modul angeordnet sein, dass die Schraube zwischen ihnen Platz findet. Die Rahmenkonstruktion stellt die korrekte Kraftverteilung sicher. - Anstelle einer zentralen Verschraubung
27 ist auch das Fixieren der Platine9 und der Abdeckung10 auf den Absätzen25 bzw.26 des Gehäuserahmens22 durch entsprechende Klebe- oder Lötverfahren möglich, was jedoch eine Demontage des Halbleitermoduls oder ein Auswechseln beschädigter Komponenten erschweren würde. -
3 bis10 zeigen Querschnitte durch Komponenten bei der Herstellung des Halbleitermoduls1 gemäß2 . Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. -
3 zeigt einen Querschnitt durch ein Gehäuse12 . Dieses Gehäuse12 weist einen Innenraum54 auf, der von Wänden55 und56 umgeben ist, die den Gehäuserahmen22 bilden. Eine Innenwandung57 des Innenraums54 ist derart strukturiert, dass sich drei Montageabsätze24 ,25 und26 ergeben, auf denen jeweils Komponenten des Halbleitermoduls1 angeordnet werden. - Das Material des Gehäuserahmens
22 kann eine Keramik oder ein Kunststoff sein, wobei innerhalb der Keramik oder des Kunststoffs des Gehäuserahmens22 vertikale Zuleitungen33 und horizontale bzw. laterale Zuleitungen34 vorgesehen sind. Die vertikalen Zuleitungen33 gehen auf dem oberen Rand28 des Gehäuses12 in Kontaktstifte31 und32 über. Die lateralen bzw. horizontalen Leitungen34 gehen in Flachleiter43 des Gehäuses12 über und ragen in den Innenraum54 im Bereich des ersten unteren Absatzes24 hinein. Ein derartiges Hohlraumgehäuse12 kann mittels Spritzgusstechnik eines Kunststoffes gegossen oder mittels eines Keramiksinterverfahrens gepresst werden. -
4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Trägersubstrat6 des Halbleitermoduls1 , wobei das Trägersubstrat6 auf seiner Oberseite58 eine strukturierte Metallbeschichtung60 aufweist, auf der Leistungshalbleiterchips2 ,3 ,4 und5 mit ihren Rückseiten40 fixiert sind. Das Trägersubstrat6 kann aus einer Keramik- oder Metallplatte bestehen, wenn besonders hohe Leistungen durch die Leistungshalbleiterchips2 ,3 ,4 und5 zu schalten sind. In anderen Fällen kann das Trägersubstrat6 auch eine Kunststoffplatte aufweisen. Die Rückseiten40 der Leistungshalbleiterchips2 ,3 ,4 und5 können vor dem Aufbringen auf das Trägersubstrat6 mit einer Rückseitenbeschichtung versehen werden, die einen Stoff der Gruppe Aluminium, Gold, Silber oder Palladium/Gold oder Legierungen derselben aufweist. Die Leistungshalbleiterchips2 ,3 ,4 und5 selbst sind in dieser Ausführungsform der Erfindung aus einem Siliziumeinkristallwafer hergestellt. - Um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Leistungshalbleiterchips
2 ,3 ,4 und5 und der strukturierten Metallschicht60 des Trägersubstrats6 zu erreichen, wird häufig ein Die-Bondverfahren eingesetzt. Für das Die-Bondverfahren können Lotmaterialien auf einen lötbaren Oberflächenbereich des Trägersubstrats6 oder auf die lötbaren Rückseiten40 der Leistungshalbleiterchips2 bis5 beispielsweise als Lotpaste aufgebracht werden. - Die strukturierte Metallbeschichtung
60 weist Chipinseln für die Rückseiten40 der Leistungshalbleiterchips2 ,3 ,4 und5 und Kontaktanschlussflächen für Verbindungselemente zu den Oberseiten61 der Leistungshalbleiterchips2 ,3 ,4 und5 auf. Ein Strukturieren der Metallbeschichtung60 auf dem Trägersubstrat6 kann durch Trocken- oder Nassätzverfahren, bei denen eine Lackmaske die zu bildende strukturierte Metallbeschichtung60 schützt, erfolgen. Abschließend wird eine derartige Lackmaske nach dem Trocken- oder Nassätzverfahren entfernt. Eine derartige Lackätzmaske ist nicht erforderlich, wenn die Metallbeschichtung60 mittels Laserstrahl oder mittels Druckverfahren wie Siebdruckverfahren, Schablonendruckverfahren oder Strahldruckverfahren strukturiert wird. - Die Leistungshalbleiterchips
2 ,3 ,4 und5 sind in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung nebeneinander auf dem Trägersubstrat6 angeordnet und bilden eine Vollbrückenschaltung bestehend aus zwei Halbbrückenschaltungen mit den Leistungshalbleiterchips2 und3 bzw.4 und5 . Um weiteren Platz zu sparen, ist es auch mögliche, die Halbbrücken-Chips2 und3 bzw. auch die Chips4 und5 der zweiten Halbbrückenschaltung übereinander gestapelt derart kompakt anzuordnen, dass eine Vollbrückenschaltung aus nebeneinander angeordneten Halbbrücken auf engstem Raum realisiert wird. -
5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Gehäuse12 gemäß3 nach Anbringen des Trägersubstrats6 gemäß4 auf dem unteren ersten Absatz24 des Gehäuserahmens22 , so dass die Unterseite59 des Trägersubstrats6 mit der Unterseite23 des Gehäuserahmens22 eine koplanare Fläche bildet. Mittels Ultraschallschweißens (alternativ auch Löten oder Laserschweißen) können die Flachleiter43 des Gehäuserahmens22 mit der Metallbeschichtung60 auf der Ober seite58 des Trägersubstrats6 elektrisch und mechanisch verbunden werden. Damit wird das Trägersubstrat6 auf dem Absatz24 des Gehäuserahmens22 gehalten. Zur Verbesserung des thermischen Übergangs kann auch die Unterseite59 des Trägersubstrats6 mit einer metallischen Beschichtung62 versehen sein. -
6 zeigt einen Querschnitt durch eine Platine9 mit Treiberbauelementen7 und8 . Die Treiberbauelemente7 und8 sind auf der Platine9 für jeweils eine Halbleiterbrückenschaltung angeordnet. Die Platine9 weist auf ihrer Oberseite16 eine strukturierte Metallbeschichtung63 auf, die in analoger Weise wie die Metallbeschichtung60 der Oberseite58 des Trägersubstrats6 strukturiert werden kann. Neben den Treiberbauelementen7 und8 sind auf der Oberseite16 der Platine9 Verbindungselemente41 und42 angeordnet, die über Steckverbinder29 ,30 mit einer nachfolgend beschriebenen anwendungsspezifischen Platine, die hier nicht gezeigt ist, verbunden werden können. - Die Unterseite
21 der Platine9 kann eine Isolationsschicht, eine strukturierte Metallschicht oder eine thermisch isolierende Schicht aufweisen, um auch thermisch den Leistungsteil des Halbleitermoduls von dem Bereich der Treiberbauelemente7 und8 zu trennen. Die Platine9 weist mehrere Verdrahtungslagen18 ,19 und20 auf, die voneinander isoliert sind und lediglich durch blinde Verbindungsstege17 , die sich von der Oberseite16 bis maximal zu der unteren Verdrahtungslage20 erstrecken elektrisch verbunden sein können. - Die Unterseite
21 wird von derartigen „vergrabenen" Verbindungsstegen17 („buried vias") nicht erreicht. Dabei können die Verdrahtungslagen18 ,19 und20 in einem Keramikmaterial oder in einem Kunststoffmaterial angeordnet sein. Die Metalllagen der Verdrahtungen18 ,19 und20 können derart gestaltet sein, dass sie gekoppelte planare Spulen, also einen planaren, kernlosen Übertrager („coreless transformer"), bilden, so dass Steuersignale der Treiberbauelemente7 und8 berüh rungslos, d. h. galvanisch getrennt, auf die Leistungshalbleiterchips2 ,3 ,4 und5 des Trägersubstrats6 übertragen werden können. -
7 zeigt einen vergrößerten Querschnitt durch eine Platine9 mit „vergrabenen" Verbindungsstegen17 in vertikaler Richtung, welche die lateralen Verdrahtungslagen18 ,19 und20 miteinander verbinden, während die Unterseite21 der Platine9 nicht von den vertikalen vergrabenen Verbindungsstegen17 kontaktiert wird. -
8 zeigt einen Querschnitt durch das Gehäuse12 gemäß5 mit eingebrachter Platine9 gemäß6 und einem Kühlkörper39 sowie einer Abdeckung10 vor einem Zusammenbau zu einem Halbleitermodul. Dabei wird die Platine9 mit ihrer Unterseite21 auf dem zweiten mittleren Absatz25 des Gehäuserahmens22 positioniert, so dass eine galvanische Trennung zwischen dem Leistungsteil, das auf dem Trägersubstrat6 angeordnet ist, und der Steuerelektronik, die auf der Oberseite16 der Platine9 mit den Treiberbauelementen7 und8 angeordnet ist, erreicht wird. Eine elektrische Verbindung zu einer anwendungsspezifischen Platine ist über die Verbindungselemente41 und42 und die Kontaktstifte29 ,30 möglich. Die Abdeckung10 ist derart dimensioniert, dass sie auf einen oberen Absatz26 des Gehäuserahmens22 passt. - Schließlich weist die Abdeckung
10 eine zentrale Bohrung51 auf, die kongruent zu entsprechenden zentralen Bohrung der Platine9 und des Trägersubstrats6 angeordnet ist. Durch diese zentrale Bohrung51 ist in dieser Ausführungsform der Erfindung eine Verschraubung27 gesteckt, deren Gewindeansatz66 mit einer Gewindebohrung52 des Kühlkörpers39 korrespondiert. Dadurch wird bei der Montage das Substrat6 auf den Kühlkörper gepresst. Zur Verbesserung des Wärmeabtransports kann zwischen Kühlkörper und Modul ein geeignetes Wärmeleitmaterial vorgesehen werden. -
9 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das zusammengebaute Halbleitermodul1 gemäß8 und eine anwendungsspezifische Schaltungsplatine11 für ein derartiges Halbleitermodul1 . Nach dem Aufbringen (z. B. Verkleben) der Abdeckung10 auf den oberen Montageabsatz26 des Gehäuserahmens22 kann der Kühlkörper39 mit dem Modul verschraubt und so mit seiner Oberseite49 mit der Unterseite59 des Trägersubstrats6 thermisch verbunden. - Die in dem Leistungsteil auftretende Verlustwärme kann somit über den Kühlkörper
39 abgeleitet werden. Außerdem ist die Abdeckung10 derart auf dem dritten oberen Montageabsatz26 des Gehäuserahmens22 fixiert, dass die Durchgangsöffnungen64 und65 mit den Verbindungselementen41 und42 auf der Platine9 korrespondieren. Die Stifte31 und32 , die aus dem oberen Rand28 des Gehäuserahmens22 herausragen, können einerseits als elektrische oder thermische („Wärmebrücke") Verbindung dienen und andererseits als Passstifte eingesetzt werden. - Die in
9 darüber gezeigte anwendungsspezifische Platine11 weist Öffnungen auf, um die Kontaktstifte29 und30 aufzunehmen und so eine elektrische Verbindung mit der Platine9 zu ermöglichen. Außerdem weist die anwendungsspezifische Platine11 Öffnungen67 und68 auf, die mit den Stiften31 und32 des Gehäuserahmens22 korrespondieren. Sowohl die Oberseite38 der anwendungsspezifischen Platine11 als auch die Unterseite37 können mit Bauelementen35 bzw.36 bestückt sein, und die Kontroller- oder Steuerlogikfunktionen des Blocks47 , wie in1 darstellt, wahrnehmen. Dazu können die Bauelemente35 und36 oberflächenmontierbare Bauelemente sein. Außerdem kann die anwendungsspezifische Platine11 Versorgungsspannungszuleitungen und Schaltimpulszuleitungen aufweisen. -
10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Halbleitermodul1 mit aufgebrachter anwendungsspezifischer Schaltungsplatine11 . Dazu wird die anwendungsspezifische Platine11 mit ihren Öffnungen67 und68 passgenau auf die Stifte31 und32 des Gehäuserahmens22 gesetzt, so dass gleichzeitig die Kontaktstifte29 und30 des Moduls die anwendungsspezifische Platine11 kontaktieren können. Die anwendungsspezifische Platine11 kann an ihren Rändern auch mit nicht gezeigten Schnittstellenkontakten versehen sein, um das Halbleitermodul1 mit einer übergeordneten Vorrichtung zu verbinden.
Claims (43)
- Halbleitermodul, das aufweist wenigstens einen Halbleiterchip (
2 ), in dem wenigstens ein Halbleiterschalter integriert ist, ein Trägersubstrat (6 ), auf dem der Halbleiterchip (2 ) angeordnet ist, wenigstens ein Treiberbauelement (7 ) zum Ansteuern des in dem Halbleiterchip (2 ) integrierten Halbleiterschalters, eine Platine (9 ), auf der das Treiberbauelement angeordnet ist, ein Gehäuse, in dem das Trägersubstrat (6 ) und die Platine (9 ) übereinander angeordnet sind, wobei das Treiberbauelement (7 ) mindestens einen Eingang zum Zuführen eines Steuersignals aufweist und wobei die Platine (9 ) oder das Treiberbauelement (7 ) eine galvanische Trennung im Signalpfad zwischen dem Eingang des Treiberbauelements (7 ) und dem Halbleiterchip (2 ) aufweist, und wobei die Platine (9 ) eine Oberseite (16 ) mit mehrlagiger lateraler Verdrahtung und mit vertikalen vergrabenen Verbindungsstegen (17 ) zum Verbinden der Verdrahtungslagen (18 ,19 ,20 ) mit dem Treiberbauelement (7 ) und eine Unterseite (21 ) aufweist, wobei die Unterseite frei von Verbindungsstegen (17 ) ist. - Halbleitermodul nach Anspruch 1, wobei das Treiberbauelement (
7 ) galvanisch sicher trennend nach IEC 60747-5-2 mit einer Steuerelektrode des Halbleiterchips (2 ) elektrisch in Verbindung steht. - Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Ausgang eines Treiberbauelements (
7 ) über den kernlosen Übertrager mit einer Steuerelektrode zumindest eines Halbleiterschalters (2 ) elektrisch gekoppelt ist. - Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Ausgang eines Treiberbauelements (
7 ) über Optokoppler mit einer Steuerelektrode zumindest eines Halbleiterschalters (2 ) elektrisch gekoppelt ist. - Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Ausgang eines Treiberbauelements (
7 ) kapazitiv mit einer Steuerelektrode zumindest eines Halbleiterschalters (2 ) elektrisch gekoppelt ist. - Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Ausgang eines Treiberbauelements (
7 ) über piezoelektrische Koppler mit einer Steuerelektrode zumindest eines Halbleiterschalters (2 ) elektrisch gekoppelt ist. - Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Ausgang eines Treiberbauelements (
7 ) über Übertrager mit einer Steuerelektrode zumindest eines Halbleiterschalters (2 ) elektrisch gekoppelt ist. - Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Unterseite (
21 ) der Platine (9 ) eine Isolationsschicht aufweist. - Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Unterseite (
21 ) der Platine (9 ) eine elektrisch leitende Schicht aufweist. - Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Unterseite (
21 ) der Platine (9 ) eine Abschirmschicht aufweist. - Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Unterseite (
21 ) der Platine (9 ) eine thermisch isolierende Schicht aufweist. - Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (
12 ) einen Gehäuserahmen (22 ) aufweist, auf dessen Unterseite (23 ) das Trägersubstrat (6 ) an einen ersten Absatz (24 ) angepasst ist. - Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (
12 ) einen Gehäuserahmen (22 ) mit einem zweiten mittleren Absatz (25 ) aufweist, auf dem die Platine (9 ) eingepasst ist. - Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (
12 ) eine Abdeckung (10 ) und einen Gehäuserahmen (22 ) mit einem dritten oberen Absatz (26 ) aufweist, auf dem die Abdeckung (10 ) eingepasst ist. - Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (
12 ) einen Gehäuserahmen (22 ) mit einem oberen Rand (28 ) aufweist, auf dem eine anwendungsspezifischen Schaltungsplatine (11 ) angeordnet ist. - Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 12 und 13, wobei die anwendungsspezifische Schaltungsplatine (
11 ) über Kontaktstifte (29 ,30 ) der Platine (9 ) durch die Abdeckung (10 ) hindurch mit der Platine (9 ) verbindbar ist. - Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gehäuserahmen (
22 ) Stifte (31 ,32 ) und Leitungen (33 ,34 ) aufweist, welche die anwendungsspezifische Schaltungsplatine (11 ) mit dem Trägersubstrat (6 ) elektrisch verbinden. - Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf dem Trägersubstrat (
6 ) Halbleiterchips (2 ,3 ) einer Halbbrückenschaltung nebeneinander angeordnet sind. - Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf dem Trägersubstrat (
6 ) Halbleiterchips (2 ,3 ,4 ,5 ) einer Vollbrückenschaltung nebeneinander angeordnet sind. - Halbleitermodul nach Anspruch 19, wobei auf dem Trägersubstrat (
6 ) Halbleiterchips (2 ,3 ) einer Halbbrückenschaltung übereinander gestapelt angeordnet sind. - Halbleitermodul nach Anspruch 19, wobei auf dem Trägersubstrat (
6 ) Halbleiterchips (2 ,3 ,4 ,5 ) einer Vollbrückenschaltung aus Halbbrücken nebeneinander und in den Halbbrücken übereinander gestapelt angeordnet sind. - Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trägersubstrat (
6 ) ein Keramikmaterial aufweist. - Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Platine (
9 ) ein Kunststoffmaterial aufweist. - Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Platine (
9 ) eine mehrlagige Keramikplatte aufweist. - Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die anwendungsspezifische Schaltungsplatine (
11 ) Versorgungsspannungszuleitungen und Schaltimpulsleitungen aufweist. - Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die anwendungsspezifische Schaltungsplatine (
11 ) oberflächenmontierbare Bauelemente (35 ,36 ) aufweist. - Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die anwendungsspezifische Schaltungsplatine (
11 ) auf ihrer Unterseite (37 ) und ihrer Oberseite (38 ) mit Bauelementen (35 ,36 ) bestückt ist. - Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitermodul (
1 ) mit seinem Trägersubstrat (6 ) auf einem Kühlkörper (39 ) fixiert ist. - Halbleitermodul nach Anspruch 28, wobei zwischen Trägersubstrat (
6 ) und Kühlkörper (39 ) eine Bodenplatte des Halbleitermoduls (1 ) angeordnet ist. - Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitermodul (
1 ) mit seinem Trägersubstrat (6 ) auf einen Kühlkörper (39 ) geschraubt ist. - Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls (
1 ), umfassend die folgenden Schritte: Herstellen eines Gehäuses (12 ) mit einem Gehäuserahmen (22 ), wobei der Gehäuserahmen (22 ) mehrere Montageabsätze (24 ,25 ,26 ) aufweist; Herstellen eines Trägersubstrats (6 ) mit mindestens einem Halbleiterchip (2 ); Aufbringen des Trägersubstrats (6 ) auf einen ersten unteren Montageabsatz (24 ) des Gehäuserahmens (22 ) unter Einbetten des Halbleiterchips (2 ) in eine Weichvergussmasse (15 ); Herstellen einer Platine (9 ) mit integriertem Treiberbauelement (7 ); Anbringen und Kontaktieren der Platine (9 ) auf einem zweiten Montageabsatz (25 ) oberhalb des ersten Montageabsatzes (24 ); Herstellen einer Abdeckung (10 ) und eines Kühlkörpers (39 ); Aufbringen der Abdeckung (10 ) auf einem dritten Montageabsatz (26 ) oberhalb der zweiten Montageabsatzes (25 ); Anbringen des Kühlkörpers (39 ) unterhalb des Trägersubstrats (6 ) oder unterhalb einer Bodenplatte des Halbleitermoduls (1 ). - Verfahren nach Anspruch 31, wobei das Zusammenfügen des Halbleitermoduls (
1 ) mittels einer zentralem Verschraubung (27 ) erfolgt. - Verfahren nach Anspruch 31 oder Anspruch 32, wobei zum stoffschlüssiges Verbinden des Halbleiterchips (
2 ) mit dem Trägersubstrat (6 ) ein Die-Bondverfahren eingesetzt wird. - Verfahren nach Anspruch 31 oder Anspruch 32, wobei zum Aufbringen eines Lotmaterials auf einen lötbaren Oberflächenbereich des Trägersubstrats (
6 ) oder die lötbaren Rückseite (40 ) des Halbleiterchips (2 ) eine Lotpaste aufgebracht wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 34, wobei als Oberflächenbereich des Trägersubstrats (
6 ) des Halbleitermoduls eine Chipinsel (1 ) eines Flachleiterrahmens eingesetzt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 35, wobei als Trägersubstrat (
6 ) eine Keramikplatte eingesetzt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 36, wobei als Trägersubstrat (
6 ) eine Kunststoffplatte eingesetzt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 37, wobei vor dem Herstellen des Trägersubstrats (
6 ) mit Halbleiterchip (2 ) die Rückseite (40 ) des Halbleiterchips mit einem Stoff der Gruppe Aluminium, Gold, Silber oder Palladium/Gold oder Legierungen derselben, beschichtet wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 38, wobei der Halbleiterchip (
2 ) aus einem Siliziumeinkristallwafer hergestellt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 39, wobei auf das Trägersubstrat (
6 ) eine strukturierte Metallbeschichtung mit mindestens einer Chipinsel, Kontaktanschlussflächen für Verbindungselemente zu Kontaktflächen des Halbleiterchips (2 ) aufgebracht werden. - Verfahren nach Anspruch 40, wobei zum Aufbringen einer strukturierten Metallbeschichtung (
60 ) auf das Trägersubstrat (6 ), ein Trocken- oder Nassätzverfahren durchgeführt wird, bei dem eine Lackmaske die zu bildende strukturierende Metallbeschichtung schützt, und wobei abschließend die Lackmaske entfernt wird. - Verfahren nach Anspruch 41, wobei die ganzflächige Metallbeschichtung (
60 ) mittels Laserstrahl oder mittels Druckverfahren wie Siebdruckverfahren Schablonendruckverfahren oder Strahldruckverfahren strukturiert wird. - Halbleitermodul, das aufweist wenigstens einen Halbleiterchip (
2 ), in dem wenigstens ein Halbleiterschalter integriert ist, ein Trägersubstrat (6 ), auf dem der Halbleiterchip (2 ) angeordnet ist, wenigstens ein Treiberbauelement (7 ) zum Ansteuern des in dem Halbleiterchip (2 ) integrierten Halbleiterschalters, eine Platine (9 ), auf der das Treiberbauelement angeordnet ist, ein Gehäuse, in dem das Trägersubstrat (6 ) und die Platine (9 ) übereinander angeordnet sind, wobei das Treiberbauelement (7 ) mindestens einen Eingang zum Zuführen eines Steuersignals aufweist und wobei die Platine (9 ) eine sichere galvanische Trennung im Signalpfad zwischen dem Eingang des Treiberbauelements (7 ) und dem Halbleiterchip (2 ) aufweist.
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