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.
  • 1 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild eines Halbleitermoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleitermodul gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1;
  • 3 bis 10 zeigen Querschnitte durch Komponenten bei der Herstellung des Halbleitermoduls gemäß 2;
  • 3 zeigt einen Querschnitt durch ein Hohlraumgehäuse;
  • 4 zeigt einen Querschnitt durch ein Trägersubstrat;
  • 5 zeigt einen Querschnitt durch das Hohlraumgehäuse gemäß 3 nach Anbringen des Trägersubstrats gemäß 4;
  • 6 zeigt einen Querschnitt durch eine Platine mit Treiberbauelementen;
  • 7 zeigt einen vergrößerten Querschnitt durch eine Platine;
  • 8 zeigt einen Querschnitt durch das Hohlraumgehäuse gemäß 5 mit eingebauter Platine gemäß 6 und einem Kühlkörper sowie einer Abdeckung vor einem Zusammenbau zu einem Halbleitermodul;
  • 9 zeigt einen Querschnitt durch das zusammengebaute Halbleitermodul gemäß 8 und eine anwendungsspezifische Schaltungsplatine für ein derartiges Halbleitermodul;
  • 10 zeigt einen Querschnitt durch das Halbleitermodul mit aufgebrachter anwendungsspezifischer Schaltungsplatine.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • 1 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild eines Leistungshalbleitermoduls 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In dem Leistungshalbleitermodul 1 sind drei Blöcke 44, 45 und 46 angeordnet. Dabei weist der Block 44 eine oder mehrere Treiberschaltungen mit einem Treiberbauelement 7 auf. Der Block 45 stellt die galvanische Trennung von Treiberschaltung und einem in Block 46 angeordneten Leistungsteil sicher. Die galvanische Trennung (Block 45) kann in dem Treiberbauelement 7 oder in einer Platine 9, auf dem das Treiberelement 7 montiert ist, integriert sein. Der Block 46 beherbergt das Leistungsteil, das in diesem Beispiel vier Halbleiterchips 2 und 3 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 Schaltungsplatine 11 als weiterer Schaltungsblock 69 angeschlossen werden. Dieser Schaltungsblock 69 kann z. B. einen Mikrokontroller als Steuereinheit aufnehmen. Die anwendungsspezifische Schaltungsplatine 11 kann schließlich mit einer Schnittstelle 53 eines übergeordneten elektronischen Gerätes zusammenwirken.
  • 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Halbleitermodul 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Halbleitermodul 1 weist wenigstens einen Halbleiterchip 2 auf, der auf einem Trägersubstrat 6, z. B. einem DCB-Substrat, angeordnet ist. In dieser Ausführungsform der Erfindung sind auf dem Trägersubstrat 6 vier Halbleiterchips 2, 3, 4 und 5 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 Treiberbauelement 7 auf, das auf der Platine 9 angeordnet ist. In diesem Beispiel steuern zwei Treiberbauelemente 7 und 8 jeweils eine Halbbrücke an, wobei die erste Halbbrüche durch die Chips 2 und 3 und die zweite Halbbrücke durch die Chips 4 und 5 gebildet wird. Auch diese Schaltungsanordnung ist lediglich als Beispiel zu verstehen. Es ist auch möglich für jeden einzelnen Transistor ein eigenes Treiberbauelemente vorzusehen. Die Platine 9 und das DCB-Substrat 6 sind durch mindestens einen leitenden Verbindungssteg, über den die von den Treiberbauelementen 7, 8 erzeugten Treibersignale (Gatesignale) an die Steueranschlüsse der Leistungsbauelemente gekoppelt sind, miteinander elektrisch verbunden.
  • Das Halbleitermodul 1 kann darüber hinaus eine Abdeckung 10 aufweisen. Die Platine 9 umfasst zudem Verbindungselemente 41 und 42 und Kontaktstifte 29, 30 für ein Verbinden der Platine 9 mit einer hier nicht gezeigten anwendungsspezifischen Platine (vgl. Bezugszeichen 11 in 1).
  • Das Halbleitermodul 1 weist ein Gehäuse 12 auf, das derart ausgestaltet ist, dass das Trägersubstrat 6 und die Platine 9 übereinander angeordnet werden können. Die Platine 9 weist eine galvanische Trennung zwischen den für den Anwender vor gesehenen elektrischen Steueranschlüssen und den Schaltungschips 2 bis 5 (d. h. dem Leistungsteil) auf. Steuersignale, die an die Treiberbauelemente 7 und 8 gegeben werden, werden mittels berührungsloser Kopplung zu den Halbleiterchips 2 bis 5 übertragen. Dazu weist entweder die Platine 9 mehrere elektrisch voneinander isolierte, elektrisch leitende Verdrahtungslagen 18, 19 und 20 auf, die kernfreie Übertragerschleifen bilden, oder die Treiberbauelemente 7 enthalten selbst einen (beispielsweise mit Hilfe von planaren Spulen aufgebauten) kernlosen Übertrager („coreless transformer"). Der kernlose Übertrager der Platine 9 bzw. der Treiberbauelemente 7 und 8 ermöglichen eine berührungsfreie, induktive Kopplung zwischen den für den Anwender zugänglichen elektrischen Anschlüssen des Moduls und den Leistungshalbleiterchips 2 bis 5.
  • Die über dem Leistungsteil (Chips 2 bis 5) angeordnete Platine 9 mit den darauf angeordneten Treiberbauelementen 7 und 8 ermöglicht einen kompakten, Flächen sparenden Aufbau des Halbleitermoduls 1. Dazu kann die Platine 9 eine strukturierte, Leiterbahnen bildende Metallbeschichtung auf der Oberseite 16 aufweisen. Außerdem hat die Platine 9, wie oben erwähnt, eine mehrlagige laterale Verdrahtung mit vertikalen „vergrabenen" Verbindungsstegen 17 („buried vias") zum Verbinden der Verdrahtungslagen 18, 19 und 20 mit den Treiberbauelementen 7 und 8. In diesem Zusammenhang werden unter „vergrabenen" Verbindungsstegen 17 vertikale Verbindungsleitungen (Vias) verstanden, die keine Durchkontakte durch die Platine 9 ausbilden, sondern auf einer der innenliegenden Verdrahtungslagen 18, 19 oder 20 enden. In dem vorliegenden Beispiel sind drei Verdrahtungslagen 18, 19 oder 20 vorgesehen. Selbstverständlich können je nach den Erfordernissen der Anwendung auch mehr oder weniger Verdrahtungslagen vorgesehen sein.
  • Die Unterseite 21 ist aufgrund der vergrabenen Verbindungsstege 17 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 Treiberbauelemente 7 und 8 vor der Wärmeentwicklung des darunter angeordneten Leistungsteils des Halbleitermoduls 1.
  • Das Halbleitermodul 1 kann mit seinem Trägersubstrat 6 auf einem Kühlkörper 39 fixiert sein. Für diese Fixierung kann das Halbleitermodul 1 beispielsweise eine zentrale Verschraubung 27 aufweisen, welche die Abdeckung 10 auf das Modulgehäuse presst. Dabei wird der Kühlkörper 39 mittels der Verschraubung 27 mit seiner Oberseite 49 auf das Substrat 6 gepresst. Neben den oben bereit erwähnten Vorteilen der Raumersparnis und der Flächenreduzierung hat das Halbleitermodul 1 den Vorteil einer einfachen Austauschbarkeit defekter Komponenten.
  • Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls 1 weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird ein Hohlraumgehäuse 12 mit einem Gehäuserahmen 22 hergestellt, wobei der Gehäuserahmen 22 mehrere Montageabsätze 24, 25 und 26 aufweist. Ferner wird ein Trägersubstrat 6 mit mindestens einem Leistungshalbleiterchip 2 und in diesem Ausführungsbeispiel vier Leistungshalbleiterchips 2, 3, 4 und 5 hergestellt. Anschließend wird das Trägersubstrat 6 auf den ersten unteren Montageabsatz 24 des Gehäuserahmens 22 aufgebracht und die Leistungshalbleiterchips 2, 3, 4 und 5 werden in eine Weichvergussmasse 15 eingebettet. Beim Aufbringen des Trägersubstrats 6 auf den ersten unteren Montageabsatz 24 werden die Zuführungen 43 in Form von Flachleiterenden mit einer oberen strukturierten Metallschicht 60 des Trägersubstrats 6 durch Ultraschallschweißen verbunden. Neben Ultraschallschweißen sind als Verbindungstechniken auch Löten oder Punkt- bzw. Laserschweißen möglich.
  • Weiterhin wird eine Platine 9 mit Treiberbauelementen 7 und 8 auf ihrer Oberseite 16 hergestellt. Die Platine 9 wird dazu auf einem zweiten Montageabsatz 25 oberhalb des ersten Montageabsatzes 24 angeordnet. Schließlich wird eine Abdeckung 10 mit einer zentralen Bohrung 51 hergestellt und ein Kühlkörper 39, der eine zentrale Gewindebohrung 52 aufweist, bereitgestellt. Die Abdeckung 10 kann dann auf einem oberen dritten Montageabsatz 26 oberhalb der zweiten Montageabsatzes 25 aufgebracht werden.
  • Über eine Verschraubung 27 durch die zentrale Bohrung 51, welche auch die Platine 9 sowie das Trägersubstrat 6 aufweisen, wird die Abdeckung 10 mit der Gewindebohrung 52 des Kühlkörpers 39 mechanisch verbunden. Die Verschraubung 27 sorgt für ausreichenden Druck des Kühlkörpers 39 auf das Trägersubstrat 6. 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 Platine 9 und der Abdeckung 10 auf den Absätzen 25 bzw. 26 des Gehäuserahmens 22 durch entsprechende Klebe- oder Lötverfahren möglich, was jedoch eine Demontage des Halbleitermoduls oder ein Auswechseln beschädigter Komponenten erschweren würde.
  • 3 bis 10 zeigen Querschnitte durch Komponenten bei der Herstellung des Halbleitermoduls 1 gemäß 2. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
  • 3 zeigt einen Querschnitt durch ein Gehäuse 12. Dieses Gehäuse 12 weist einen Innenraum 54 auf, der von Wänden 55 und 56 umgeben ist, die den Gehäuserahmen 22 bilden. Eine Innenwandung 57 des Innenraums 54 ist derart strukturiert, dass sich drei Montageabsätze 24, 25 und 26 ergeben, auf denen jeweils Komponenten des Halbleitermoduls 1 angeordnet werden.
  • Das Material des Gehäuserahmens 22 kann eine Keramik oder ein Kunststoff sein, wobei innerhalb der Keramik oder des Kunststoffs des Gehäuserahmens 22 vertikale Zuleitungen 33 und horizontale bzw. laterale Zuleitungen 34 vorgesehen sind. Die vertikalen Zuleitungen 33 gehen auf dem oberen Rand 28 des Gehäuses 12 in Kontaktstifte 31 und 32 über. Die lateralen bzw. horizontalen Leitungen 34 gehen in Flachleiter 43 des Gehäuses 12 über und ragen in den Innenraum 54 im Bereich des ersten unteren Absatzes 24 hinein. Ein derartiges Hohlraumgehäuse 12 kann mittels Spritzgusstechnik eines Kunststoffes gegossen oder mittels eines Keramiksinterverfahrens gepresst werden.
  • 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Trägersubstrat 6 des Halbleitermoduls 1, wobei das Trägersubstrat 6 auf seiner Oberseite 58 eine strukturierte Metallbeschichtung 60 aufweist, auf der Leistungshalbleiterchips 2, 3, 4 und 5 mit ihren Rückseiten 40 fixiert sind. Das Trägersubstrat 6 kann aus einer Keramik- oder Metallplatte bestehen, wenn besonders hohe Leistungen durch die Leistungshalbleiterchips 2, 3, 4 und 5 zu schalten sind. In anderen Fällen kann das Trägersubstrat 6 auch eine Kunststoffplatte aufweisen. Die Rückseiten 40 der Leistungshalbleiterchips 2, 3, 4 und 5 können vor dem Aufbringen auf das Trägersubstrat 6 mit einer Rückseitenbeschichtung versehen werden, die einen Stoff der Gruppe Aluminium, Gold, Silber oder Palladium/Gold oder Legierungen derselben aufweist. Die Leistungshalbleiterchips 2, 3, 4 und 5 selbst sind in dieser Ausführungsform der Erfindung aus einem Siliziumeinkristallwafer hergestellt.
  • Um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Leistungshalbleiterchips 2, 3, 4 und 5 und der strukturierten Metallschicht 60 des Trägersubstrats 6 zu erreichen, wird häufig ein Die-Bondverfahren eingesetzt. Für das Die-Bondverfahren können Lotmaterialien auf einen lötbaren Oberflächenbereich des Trägersubstrats 6 oder auf die lötbaren Rückseiten 40 der Leistungshalbleiterchips 2 bis 5 beispielsweise als Lotpaste aufgebracht werden.
  • Die strukturierte Metallbeschichtung 60 weist Chipinseln für die Rückseiten 40 der Leistungshalbleiterchips 2, 3, 4 und 5 und Kontaktanschlussflächen für Verbindungselemente zu den Oberseiten 61 der Leistungshalbleiterchips 2, 3, 4 und 5 auf. Ein Strukturieren der Metallbeschichtung 60 auf dem Trägersubstrat 6 kann durch Trocken- oder Nassätzverfahren, bei denen eine Lackmaske die zu bildende strukturierte Metallbeschichtung 60 schützt, erfolgen. Abschließend wird eine derartige Lackmaske nach dem Trocken- oder Nassätzverfahren entfernt. Eine derartige Lackätzmaske ist nicht erforderlich, wenn die Metallbeschichtung 60 mittels Laserstrahl oder mittels Druckverfahren wie Siebdruckverfahren, Schablonendruckverfahren oder Strahldruckverfahren strukturiert wird.
  • Die Leistungshalbleiterchips 2, 3, 4 und 5 sind in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung nebeneinander auf dem Trägersubstrat 6 angeordnet und bilden eine Vollbrückenschaltung bestehend aus zwei Halbbrückenschaltungen mit den Leistungshalbleiterchips 2 und 3 bzw. 4 und 5. Um weiteren Platz zu sparen, ist es auch mögliche, die Halbbrücken-Chips 2 und 3 bzw. auch die Chips 4 und 5 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 Gehäuse 12 gemäß 3 nach Anbringen des Trägersubstrats 6 gemäß 4 auf dem unteren ersten Absatz 24 des Gehäuserahmens 22, so dass die Unterseite 59 des Trägersubstrats 6 mit der Unterseite 23 des Gehäuserahmens 22 eine koplanare Fläche bildet. Mittels Ultraschallschweißens (alternativ auch Löten oder Laserschweißen) können die Flachleiter 43 des Gehäuserahmens 22 mit der Metallbeschichtung 60 auf der Ober seite 58 des Trägersubstrats 6 elektrisch und mechanisch verbunden werden. Damit wird das Trägersubstrat 6 auf dem Absatz 24 des Gehäuserahmens 22 gehalten. Zur Verbesserung des thermischen Übergangs kann auch die Unterseite 59 des Trägersubstrats 6 mit einer metallischen Beschichtung 62 versehen sein.
  • 6 zeigt einen Querschnitt durch eine Platine 9 mit Treiberbauelementen 7 und 8. Die Treiberbauelemente 7 und 8 sind auf der Platine 9 für jeweils eine Halbleiterbrückenschaltung angeordnet. Die Platine 9 weist auf ihrer Oberseite 16 eine strukturierte Metallbeschichtung 63 auf, die in analoger Weise wie die Metallbeschichtung 60 der Oberseite 58 des Trägersubstrats 6 strukturiert werden kann. Neben den Treiberbauelementen 7 und 8 sind auf der Oberseite 16 der Platine 9 Verbindungselemente 41 und 42 angeordnet, die über Steckverbinder 29, 30 mit einer nachfolgend beschriebenen anwendungsspezifischen Platine, die hier nicht gezeigt ist, verbunden werden können.
  • Die Unterseite 21 der Platine 9 kann eine Isolationsschicht, eine strukturierte Metallschicht oder eine thermisch isolierende Schicht aufweisen, um auch thermisch den Leistungsteil des Halbleitermoduls von dem Bereich der Treiberbauelemente 7 und 8 zu trennen. Die Platine 9 weist mehrere Verdrahtungslagen 18, 19 und 20 auf, die voneinander isoliert sind und lediglich durch blinde Verbindungsstege 17, die sich von der Oberseite 16 bis maximal zu der unteren Verdrahtungslage 20 erstrecken elektrisch verbunden sein können.
  • Die Unterseite 21 wird von derartigen „vergrabenen" Verbindungsstegen 17 („buried vias") nicht erreicht. Dabei können die Verdrahtungslagen 18, 19 und 20 in einem Keramikmaterial oder in einem Kunststoffmaterial angeordnet sein. Die Metalllagen der Verdrahtungen 18, 19 und 20 können derart gestaltet sein, dass sie gekoppelte planare Spulen, also einen planaren, kernlosen Übertrager („coreless transformer"), bilden, so dass Steuersignale der Treiberbauelemente 7 und 8 berüh rungslos, d. h. galvanisch getrennt, auf die Leistungshalbleiterchips 2, 3, 4 und 5 des Trägersubstrats 6 übertragen werden können.
  • 7 zeigt einen vergrößerten Querschnitt durch eine Platine 9 mit „vergrabenen" Verbindungsstegen 17 in vertikaler Richtung, welche die lateralen Verdrahtungslagen 18, 19 und 20 miteinander verbinden, während die Unterseite 21 der Platine 9 nicht von den vertikalen vergrabenen Verbindungsstegen 17 kontaktiert wird.
  • 8 zeigt einen Querschnitt durch das Gehäuse 12 gemäß 5 mit eingebrachter Platine 9 gemäß 6 und einem Kühlkörper 39 sowie einer Abdeckung 10 vor einem Zusammenbau zu einem Halbleitermodul. Dabei wird die Platine 9 mit ihrer Unterseite 21 auf dem zweiten mittleren Absatz 25 des Gehäuserahmens 22 positioniert, so dass eine galvanische Trennung zwischen dem Leistungsteil, das auf dem Trägersubstrat 6 angeordnet ist, und der Steuerelektronik, die auf der Oberseite 16 der Platine 9 mit den Treiberbauelementen 7 und 8 angeordnet ist, erreicht wird. Eine elektrische Verbindung zu einer anwendungsspezifischen Platine ist über die Verbindungselemente 41 und 42 und die Kontaktstifte 29, 30 möglich. Die Abdeckung 10 ist derart dimensioniert, dass sie auf einen oberen Absatz 26 des Gehäuserahmens 22 passt.
  • Schließlich weist die Abdeckung 10 eine zentrale Bohrung 51 auf, die kongruent zu entsprechenden zentralen Bohrung der Platine 9 und des Trägersubstrats 6 angeordnet ist. Durch diese zentrale Bohrung 51 ist in dieser Ausführungsform der Erfindung eine Verschraubung 27 gesteckt, deren Gewindeansatz 66 mit einer Gewindebohrung 52 des Kühlkörpers 39 korrespondiert. Dadurch wird bei der Montage das Substrat 6 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 Halbleitermodul 1 gemäß 8 und eine anwendungsspezifische Schaltungsplatine 11 für ein derartiges Halbleitermodul 1. Nach dem Aufbringen (z. B. Verkleben) der Abdeckung 10 auf den oberen Montageabsatz 26 des Gehäuserahmens 22 kann der Kühlkörper 39 mit dem Modul verschraubt und so mit seiner Oberseite 49 mit der Unterseite 59 des Trägersubstrats 6 thermisch verbunden.
  • Die in dem Leistungsteil auftretende Verlustwärme kann somit über den Kühlkörper 39 abgeleitet werden. Außerdem ist die Abdeckung 10 derart auf dem dritten oberen Montageabsatz 26 des Gehäuserahmens 22 fixiert, dass die Durchgangsöffnungen 64 und 65 mit den Verbindungselementen 41 und 42 auf der Platine 9 korrespondieren. Die Stifte 31 und 32, die aus dem oberen Rand 28 des Gehäuserahmens 22 herausragen, können einerseits als elektrische oder thermische („Wärmebrücke") Verbindung dienen und andererseits als Passstifte eingesetzt werden.
  • Die in 9 darüber gezeigte anwendungsspezifische Platine 11 weist Öffnungen auf, um die Kontaktstifte 29 und 30 aufzunehmen und so eine elektrische Verbindung mit der Platine 9 zu ermöglichen. Außerdem weist die anwendungsspezifische Platine 11 Öffnungen 67 und 68 auf, die mit den Stiften 31 und 32 des Gehäuserahmens 22 korrespondieren. Sowohl die Oberseite 38 der anwendungsspezifischen Platine 11 als auch die Unterseite 37 können mit Bauelementen 35 bzw. 36 bestückt sein, und die Kontroller- oder Steuerlogikfunktionen des Blocks 47, wie in 1 darstellt, wahrnehmen. Dazu können die Bauelemente 35 und 36 oberflächenmontierbare Bauelemente sein. Außerdem kann die anwendungsspezifische Platine 11 Versorgungsspannungszuleitungen und Schaltimpulszuleitungen aufweisen.
  • 10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Halbleitermodul 1 mit aufgebrachter anwendungsspezifischer Schaltungsplatine 11. Dazu wird die anwendungsspezifische Platine 11 mit ihren Öffnungen 67 und 68 passgenau auf die Stifte 31 und 32 des Gehäuserahmens 22 gesetzt, so dass gleichzeitig die Kontaktstifte 29 und 30 des Moduls die anwendungsspezifische Platine 11 kontaktieren können. Die anwendungsspezifische Platine 11 kann an ihren Rändern auch mit nicht gezeigten Schnittstellenkontakten versehen sein, um das Halbleitermodul 1 mit einer übergeordneten Vorrichtung zu verbinden.

Claims (43)

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Ausgang eines Treiberbauelements (7) kapazitiv mit einer Steuerelektrode zumindest eines Halbleiterschalters (2) elektrisch gekoppelt ist.
  6. 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.
  7. 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.
  8. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Unterseite (21) der Platine (9) eine Isolationsschicht aufweist.
  9. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Unterseite (21) der Platine (9) eine elektrisch leitende Schicht aufweist.
  10. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Unterseite (21) der Platine (9) eine Abschirmschicht aufweist.
  11. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Unterseite (21) der Platine (9) eine thermisch isolierende Schicht aufweist.
  12. 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.
  13. 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.
  14. 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.
  15. 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.
  16. 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.
  17. 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.
  18. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf dem Trägersubstrat (6) Halbleiterchips (2, 3) einer Halbbrückenschaltung nebeneinander angeordnet sind.
  19. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf dem Trägersubstrat (6) Halbleiterchips (2, 3, 4, 5) einer Vollbrückenschaltung nebeneinander angeordnet sind.
  20. Halbleitermodul nach Anspruch 19, wobei auf dem Trägersubstrat (6) Halbleiterchips (2, 3) einer Halbbrückenschaltung übereinander gestapelt angeordnet sind.
  21. 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.
  22. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trägersubstrat (6) ein Keramikmaterial aufweist.
  23. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Platine (9) ein Kunststoffmaterial aufweist.
  24. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Platine (9) eine mehrlagige Keramikplatte aufweist.
  25. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die anwendungsspezifische Schaltungsplatine (11) Versorgungsspannungszuleitungen und Schaltimpulsleitungen aufweist.
  26. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die anwendungsspezifische Schaltungsplatine (11) oberflächenmontierbare Bauelemente (35, 36) aufweist.
  27. 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.
  28. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitermodul (1) mit seinem Trägersubstrat (6) auf einem Kühlkörper (39) fixiert ist.
  29. Halbleitermodul nach Anspruch 28, wobei zwischen Trägersubstrat (6) und Kühlkörper (39) eine Bodenplatte des Halbleitermoduls (1) angeordnet ist.
  30. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitermodul (1) mit seinem Trägersubstrat (6) auf einen Kühlkörper (39) geschraubt ist.
  31. 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).
  32. Verfahren nach Anspruch 31, wobei das Zusammenfügen des Halbleitermoduls (1) mittels einer zentralem Verschraubung (27) erfolgt.
  33. Verfahren nach Anspruch 31 oder Anspruch 32, wobei zum stoffschlüssiges Verbinden des Halbleiterchips (2) mit dem Trägersubstrat (6) ein Die-Bondverfahren eingesetzt wird.
  34. 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.
  35. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 34, wobei als Oberflächenbereich des Trägersubstrats (6) des Halbleitermoduls eine Chipinsel (1) eines Flachleiterrahmens eingesetzt wird.
  36. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 35, wobei als Trägersubstrat (6) eine Keramikplatte eingesetzt wird.
  37. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 36, wobei als Trägersubstrat (6) eine Kunststoffplatte eingesetzt wird.
  38. 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.
  39. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 38, wobei der Halbleiterchip (2) aus einem Siliziumeinkristallwafer hergestellt wird.
  40. 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.
  41. 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.
  42. Verfahren nach Anspruch 41, wobei die ganzflächige Metallbeschichtung (60) mittels Laserstrahl oder mittels Druckverfahren wie Siebdruckverfahren Schablonendruckverfahren oder Strahldruckverfahren strukturiert wird.
  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) eine sichere galvanische Trennung im Signalpfad zwischen dem Eingang des Treiberbauelements (7) und dem Halbleiterchip (2) aufweist.
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