DE102009010214A1 - Diskretes Widerstandsbauelement und Leistungsmodul mit einem diskreten Widerstandsbauelement - Google Patents

Diskretes Widerstandsbauelement und Leistungsmodul mit einem diskreten Widerstandsbauelement Download PDF

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Abstract

Ein diskretes Widerstandsbauelement umfasst eine Platte aus einem resistiven Volumenmaterial, wobei die Platte eine Höhe hat, die geringer als eine Dimension der Grundfläche der Platte ist, aus einer ersten Kontaktfläche auf der Oberseite der Platte und aus einer zweiten Kontaktfläche auf einer Unterseite der Platte, wobei sich das resistive Volumenmaterial von einem Material der ersten Kontaktfläche und einem Material der zweiten Kontaktfläche unterscheidet. Ein Leistungsmodul umfasst ein Leitungsbauelement mit einem Steueranschluss und das diskrete Widerstandsbauelement, wobei die erste Kontaktfläche des diskreten Widerstandsbauelements mit dem Steueranschluss des Leistungsbauelements verbunden ist.

Description

  • Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf ein diskretes Widerstandsbauelement und auf ein Leistungsmodul mit einem diskreten Widerstandsbauelement.
  • Moderne Leistungsendstufen bestehen aus einem Leistungsteil sowie einer Steuer- und Treiberelektronik. Der Leistungsteil umfasst Leistungshalbleiter wie Dioden, Bipolartransistoren, IGBTs, JFETs, MOSFETs oder andere Bauelement-Typen, montiert auf einem thermisch gut an einen Kühlkörper angebundenen Substrat, beispielsweise ein isolierender Schaltungsträger mit beidseitiger strukturierter Metalloberfläche, z. B. ein „Direct Copper Bonded” (DBC) bzw. direkt Kupfer-gebondetes oder „Active Metal Brazed” (AMB) bzw. aktiv Metall-hartgelötetes Substrat mit einem Trägermaterial aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder einer anderen Keramik. Das Substrat zeichnet sich vorteilhaft durch eine hohe thermische Leitfähigkeit und eine an den Halbleiter angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aus. Auch ein Verbund aus einem Metallträger und einer dünnen dielektrischen Isolationsschicht, d. h. ein „Insulated Metal Substrate” (IMS) bzw. isoliertes Metallsubstrat findet verbreitet Anwendung. Als Fügeverfahren für die Leistungshalbleiter sind Löt-, Sinter- oder Klebeverfahren üblich. Dabei werden üblicherweise eine Vielzahl von Halbleiterchips, z. B. im Pick- und Place-Verfahren bzw. Aufnahme- und- Platzierverfahren auf das Substrat aufgebracht und dann mittels des Fügeverfahrens mit dem Substrat stoffschlüssig, und damit auch thermisch und elektrisch gut leitend, verbunden.
  • Die Steuer- und Treiberelektronik ist meist separat realisiert, beispielsweise auf einem Substrat bestehend aus glasfaserverstärktem Kunststoff, z. B. FR-4. Die Treiber elektronik steuert die Steueranschlüsse, d. h. Gate bzw. Basis der elektronischen Schalter. Die Schaltgeschwindigkeit, oder sonstige einzustellende Größen, wie z. B. der Steuerstrom, werden mit einem ohmschen und damit verlustbehafteten Serienwiderstand, im weiteren vereinfacht und im Sinne eines Sammelbegriffs als „Gate-Widerstand” bezeichnet, eingestellt. Bei stromgesteuerten Leistungshalbleitern, z. B. Bipolartransistoren, erzeugt der Steuerstrom permanent eine Verlustleistung in dem Widerstand, aber auch bei MOS-gesteuerten Leistungshalbleitern, z. B. MOSFET, IGBT, fließt bei jedem Ein- und Ausschaltvorgang die komplette elektrische Steuerladung über den Widerstand. Dies verursacht eine Verlustleistung PV, im Widerstand, die näherungsweise unabhängig ist vom Widerstandswert, aber proportional zur Schaltfrequenz (fsw), zur Steuerladung des Leistungshalbleiters (Qgd) und zum Steuerspannungshub (Vgs): PV = fswQgdVgs (1)
  • Bereits bei relativ geringen Schaltfrequenzen kann diese Verlustleistung im Gate-Widerstand Werte von einigen 100 Milliwatt bis zu einigen Watt erreichen.
  • Herkömmlicherweise wird der Gate-Widerstand auf der Steuer- bzw. Treiberplatine in Form eines oder mehrerer verschalteter diskreter Widerstände untergebracht. Bevorzugt werden dazu heute oberflächenmontierbare, d. h. SMD(Surface Mounted Device)-Widerstände eingesetzt. Der Platzbedarf der Gate-Widerstände auf der Treiberplatine ist im allgemeinen beträchtlich, da aufgrund der entstehenden Verlustleistung nicht unerhebliche Flächen für eine Wärmeableitung an die Umgebung vorgesehen werden müssen. Die kritische thermische Situation wird meist zusätzlich durch eine schlechte thermische Anbindung der Leiterplatte an die Umgebung verschärft. Besonders bei hoch kompakter Leistungselektronik wird der Verlustleistungseintrag durch die Gate-Widerstände in die Treiberelektronik zu einem schwer beherrschbaren Problem bzw. zu einem das Bauvolumen limitierenden Faktor.
  • Die für Gate-Widerstände benötigten Widerstandswerte liegen im Bereich von wenigen Ohm bis hin zu einigen 10 Ohm. Für Spezialanwendungen kommen auch Widerstände im Kiloohm-Bereich zum Einsatz.
  • Um die kritische thermische Situation zu entschärfen, sind Leistungshalbleiterchips entwickelt worden, die integrierte Widerstände im Steuerstrompfad aufweisen. Der guten thermischen Ankopplung an den Kühlkörper stehen jedoch als entscheidende Nachteile dieser integrierten Widerstände deren relativ große Toleranz des Widerstandswerts und insbesondere die Tatsache entgegen, dass der Widerstandswert vom Hersteller vorgegeben ist und vom Anwender nurmehr durch einen externen diskreten Serienwiderstand vergrößert werden kann, wobei dann erneut die Verlustleistungsproblematik auftritt.
  • Ferner existieren herkömmliche Leistungshalbleiter, bei denen SMD (Surface Mounted Device) bzw. oberflächenmontierbare Bauelemente auf den Schaltungsträger montiert sind, wie dies beispielhaft in 9a dargestellt ist. Dort sind in einem herkömmlichen Leistungshalbleitermodul 90 drei Leistungshalbleiter 10a, 10b, 10c so auf einem Substrat 11 montiert, dass ihre Gate-Anschlüsse mittels Gate-Bond-Drähten 12a, 12b, 12c an eine erste Leiterbahn 14 und ihre Source-Anschlüsse mittels Source-Bond-Drähten 18 an eine zweite Leiterbahn 19 angeschlossen sind. Die Drain-Anschlüsse befinden sich auf der Rückseite der Leistungshalbleiter 10a, 10b, 10c und sind über eine Metallisierungsebene 20, die auf das Substrat 11 aufgebracht ist, verbunden und an einen Kühlkörper, der hier nicht dargestellt ist, angebunden. Die Montage des SMD-Widerstands 15 erfordert eine Auftrennung der ersten Leiterbahn 14, um den SMD-Widerstand 15 in den Steuerpfad der Leistungshalbleiter 10a, 10b, 10c zu schalten. Dadurch entsteht eine dritte Leiterbahn 16, an die eine elektrische Verbindungsleitung 17 kontaktiert ist. Durch den Aufbau der Schaltung aus 9a kann die Verlustwärme aus der Treiberelektronik hinaus verlagert werden. Sollten hiermit jedoch zwei oder mehr parallel geschaltete Leistungshalbleiterchips angesteuert werden, so ist eine solche Lösung mittels SMD-Bauteilen nur möglich, wenn entweder, wie dies in 9a beispielhaft dargestellt ist, nur ein gemeinsamer Widerstand 15 für alle Chips 10a, 10b, 10c verwendet wird, oder wenn ein anderes Design, beispielsweise entsprechend der Darstellung gemäß 9b, gewählt wird.
  • Aufgrund der begrenzten Schaltungsfläche bzw. der hohen Kosten zusätzlicher Substratfläche, insbesondere bei einem Keramiksubstrat, kann es im praktischen Entwurf gefordert sein, das Schaltungsdesign entsprechend der 9a beizubehalten, d. h. zumindest keine weiteren Leiterbahnen in die Schaltung einzufügen. Ferner kann eine optimale Wärmeabfuhr der Schaltung einen separaten Widerstand im Steuerpfad jedes einzelnen Leistungshalbleiters notwendig machen, so dass ein gemeinsamer Widerstand 15 für alle Chips 10a, 10b, 10c in thermischer Hinsicht unpraktikabel ist. Bei zwei parallelen Chips 10a, 10b gäbe es die Möglichkeit, die Leitung 16 an zwei Stellen aufzutrennen, jeweils mit einem Widerstand 15 zu überbrücken und die Steuerleitungen 12a, 12b so an die Leitung 16 anzuschließen, dass beide Chips parallel an die elektrische Verbindungsleitung 17 geschaltet sind, dabei aber über eigene Anschlusswiderstände 15 verfügen. Sind jedoch mehr als zwei Chips parallel zu schalten, so existiert unter den genannten Randbedingungen keine geometrische Lösung mehr für ein solches Design.
  • 9b zeigt ein weiteres herkömmliches Leistungshalbleitermodul 92, bei dem die Gate-Anschlüsse der drei Leistungshalbleiter 10a, 10b, 10c mittels Gate-Bond-Drähten 12a, 12b, 12c mit den den Leistungshalbleitern 10a, 10b, 10c zugeordneten individuellen Leiterbahnstücken 24a, 24b, 24c verbunden sind. Die Source-Anschlüsse der drei Leistungshalbleiter 10a, 10b, 10c sind mittels Source-Bond-Drähten 18 mit der zweiten Leiterbahn 19 verbunden. Jedes der drei Leiterbahnstücke 24a, 24b, 24c ist mittels eines individuellen SMD-Widerstands 15a, 15b, 15c mit der dritten Leiterbahn 16 verbunden, an die die elektrische Verbindungsleitung 17 kontaktiert ist. Aufgrund des Einfügens der drei Leiterbahnstücke 24a, 24b, 24c in das Schaltungsdesign ist es erforderlich, die Länge der Source-Bond-Drähte 18 gegenüber dem Design der 9a deutlich zu erhöhen, was wegen der mit der Drahtlänge stark sinkenden Strombelastbarkeit der Bond-Drähte, der zusätzlichen Induktivität und des zusätzlichen Serien-Widerstands ausgesprochen unerwünscht ist, insbesondere bei Anwendungen mit Halbbrückenanordnungen. Das Einfügen von Zwischeninseln bzw. individuellen Leiterbahnstücken 24a, 24b, 24c verursacht einen signifikanten zusätzlichen Substratflächenbedarf. Dies erfordert einen erheblichen zusätzlichen Kosten- und Bauraumbedarf, was wegen der speziell bei DCB- und AMB-Substraten üblichen hohen Metallisierungsstärken und der damit verbundenen hohen Strukturbreiten der Metallisierung äußerst unerwünscht und vielfach untragbar ist.
  • Nachteil ist somit, dass bestehende Widerstände am Beispiel von integrierten Widerständen ungenau dimensionierbar sind und hohe Temperaturabhängigkeiten aufweisen, oder am Beispiel von SMD-Widerständen zusätzliche Maßnahmen bei der Handhabung benötigen, wenn z. B. extra Leiterbahnen zum Einfügen des SMD-Widerstands aufgetrennt oder neue Leiterbahnen eingezogen werden müssen.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein flexibles und effizientes Widerstandskonzept zu schaffen.
  • Die Aufgabe wird durch ein diskretes Widerstandsbauelement gemäß Anspruch 1, ein Leistungsmodul gemäß Anspruch 10, ein Verfahren zum Herstellen eines diskreten Widerstandsbauelements gemäß Anspruch 27 oder durch ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls gemäß Anspruch 29 gelöst.
  • Das diskrete Widerstandsbauelement umfasst eine Platte aus einem resistiven Volumenmaterial, wobei die Platte eine Hö he hat, die geringer als eine Dimension der Grundfläche der Platte ist, sowie aus einer ersten Kontaktfläche auf einer Oberseite der Platte und aus einer zweiten Kontaktfläche auf einer Unterseite der Platte, wobei sich das resistive Volumenmaterial von einem Material der ersten Kontaktfläche und einem Material der zweiten Kontaktfläche unterscheidet.
  • Das Leistungsmodul umfasst ein Leistungsbauelement mit einem Steueranschluss und das diskrete Widerstandsbauelement, wobei die erste Kontaktfläche des diskreten Widerstandsbauelements mit dem Steueranschluss des Leistungsbauelements verbunden ist.
  • Ein Verfahren zum Herstellen eines diskreten Widerstandsbauelements umfasst einen Schritt des Bereitstellens einer Platte aus einem resistiven Volumenmaterial, wobei die Platte eine Höhe hat, die geringer als eine Dimension der Grundfläche der Platte ist, sowie aus einer ersten Kontaktfläche auf einer Oberseite der Platte und aus einer zweiten Kontaktfläche auf einer Unterseite der Platte, wobei sich das resistive Volumenmaterial von einem Material der ersten Kontaktfläche und einem Material der zweiten Kontaktfläche unterscheidet.
  • Ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls umfasst die Schritte des Platzierens eines Leistungsbauelements mit einem Steueranschluss auf einem Substrat mittels einer Platzierungsvorrichtung und des Platzierens eines diskreten Widerstandsbauelements auf dem Substrat mittels der Platzierungsvorrichtung.
  • Das Widerstandskonzept wird durch das diskrete Widerstandsbauelement umgesetzt. Da das Widerstandsbauelement diskret ist, bietet es dem Anwender ausreichend Flexibilität zum Einsatz des Bauelements. Es ist nicht, wie ein integrierter Widerstand, an die Verwendung einer bestimmten integrierten Schaltung bzw. Halbleitertechnologie gebunden, sondern kann für nahezu jede Art von elektronischer Schaltung, die einen elektrischen Widerstand erfordert, eingesetzt werden. Das Widerstandsbauelement besteht aus einer Platte, die je eine Kontaktfläche an der Oberseite und an der Unterseite der Platte besitzt.
  • Während ein integrierter Widerstand, einmal entworfen und hergestellt, nachträglich nicht mehr geändert werden kann, erlaubt das erfindungsgemäße diskrete Widerstandsbauelement aufgrund seines plattenförmigen Aufbaus eine Fertigung in diversen Widerstandswerten. Beispielsweise lässt sich nachträglich auf ein vorhandenes diskretes Widerstandsbauelement ein weiteres aufsetzen, um einen größeren Widerstandswert zu erzielen oder neben das vorhandene Widerstandsbauelement ein zweites setzen, um einen kleineren Widerstandswert zu realisieren. Aufgrund der plattenförmigen Architektur des diskreten Widerstandsbauelements lässt sich dieses sehr flexibel einsetzen um Schaltungen damit flexibel zu erweitern ohne dass ein Schaltungsredesign mit entsprechenden Kosten erforderlich wäre.
  • Das Material der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche unterscheidet sich von dem resistiven Volumenmaterial, um durch eine Anpassung der Materialien der beiden Kontaktflächen an die Materialien der jeweils zu kontaktierenden Kontakte eine möglichst optimale thermische und elektrische Verbindung zu erzeugen, während das resistive Volumenmaterial dazu dient, einen gewünschten elektrischen Widerstandswert des diskreten Widerstandsbauelements einzustellen. Beispielsweise sind die beiden Kontaktflächen aus einem leitenden Material aufgebaut, während das resistive Volumenmaterial, wie es der Name schon sagt, aus einem resistiven Material besteht. Das resistive Volumenmaterial kann ein Material sein, das eine geringere Leitfähigkeit aufweist als die Materialien der zwei Kontaktflächen, um mit diesem den gewünschten elektrischen Widerstand realisieren zu können, ohne die Platte unverhältnismäßig dick bzw. hoch ausführen zu müssen.
  • Aufgrund seines plattenförmigen Aufbaus ist das diskrete Widerstandsbauelement ähnlich geformt wie Halbleiterbauelemente, beispielsweise Leistungshalbleiter, die ebenfalls an ihren Oberseiten und/oder Unterseiten über freie Kontaktflächen verfügen, die dazu dienen, das Bauelement auf einem Schaltungsträger zu montieren und anzuschließen. Die gleichen Montage- und Anschlussverfahren, mit denen Halbleiterbauelemente heute montiert und angeschlossen werden, können auch für die Montage und das Anschließen des diskreten Widerstandsbauelements genutzt werden. Auch die bereits vorhandenen Platziervorrichtungen („Pick&Place”) können mit verwendet werden, um statt beispielsweise eines Chips das diskrete Widerstandsbauelement aufzunehmen und auf einem Schaltungsträger zu platzieren. Die Unterseite des diskreten Widerstandsbauelement lässt sich beispielsweise mit einem Löt-, Sinter- oder Leitklebeverfahren auf dem Schaltungsträger montieren und mit einer Leiterbahn kontaktieren, während sich die Oberseite beispielsweise mittels Bonding-Verfahren anschalten lässt. Somit ist es, im Gegensatz zu herkömmlichen SMD-Widerständen, bei dieser Art von Montage nicht notwendig, im Layout vorhandene Leiterbahnen aufzutrennen bzw. neue Leiterbahnen einzufügen, um den Anschluss des diskreten Widerstandsbauelements zu ermöglichen. Ein vorhandenes Layout braucht somit nicht abgeändert zu werden. Das diskrete Widerstandsbauelement kann einfach auf existierende Leiterbahnen aufgesetzt werden. Ein Redesign einer Schaltung kann einfach durchgeführt werden, ohne zusätzlichen Platz für den Einzug neuer Leiterbahnen auf dem Leitungsträger schaffen zu müssen, wenn an einer bestimmten Stelle im Layout ein zusätzlicher Widerstand wünschenswert wäre. Das Schaltungsdesign kann beibehalten werden und Kosten für einen (unter Umständen sogar komplett) neuen Schaltungsentwurf können eingespart werden. Der Schaltungsentwickler kann beim Schaltungsentwurf oder beim Schaltungsredesign deutlich effizienter arbeiten.
  • Gegenüber einem klassischen Design mit SMD Bauelementen erlaubt ein Schaltungsdesign mit dem erfindungsgemäßen dis kreten Widerstandsbauelement eine geradezu dramatische Einsparung an Substratgrundfläche. Insbesondere bei heutigen Keramiksubstraten ist jeder Quadratmillimeter an Substratflächenersparnis des Schaltungsträgers mit einer enormen Kosteneinsparung verbunden, da Substratfläche im Verhältnis zu den Kosten von Widerstandsbauelementen überproportional teuer ist. Das diskrete Widerstandsbauelement kann quasi eine Bond-Insel realisieren und somit ähnlich einem Chip flächig auf der Substratkeramik aufliegen ohne zusätzliche Leiterbahnen zu benötigen.
  • In thermischer Hinsicht realisiert ein Schaltungsentwurf mit dem diskreten Widerstandsbauelement das beste Design, das thermisch machbar ist. Breite Platten des diskreten Widerstandsbauelements bewirken eine optimale thermische Ankopplung an Wärmequelle und Wärmesenke und ein kurzer, breiter Weg durch das resistive Volumenmaterial bewirkt eine optimale Führung des Wärmeflusses, so dass mit dem diskreten Widerstandsbauelement ein Maximum an Leistung umsetzbar ist.
  • Bei einer Anwendung des diskreten Widerstandsbauelements als Gate-Widerstand eines geschalteten Leistungshalbleiters, werden beispielsweise über diesen die Gate-Kapazitäten des Gate-Anschlusses permanent ge- und entladen, wobei Verlustleistungsspitzen bis zu etwa zwei Größenordnungen (d. h. etwa das 100-fache) über der Dauerleistung für ca. einige Mikrosekunden dauerhaft auftreten können. Im Dauerbetrieb führt dies bei herkömmlichen SMD-Widerständen zu Alterungsprozessen und damit einhergehend zu einer leichten Parameterdrift bzgl. des Widerstandswertes. Ein erfindungsgemäßes diskretes Widerstandsbauelement ist gegen solche Dauerbelastungseinflüsse weitgehend unempfindlich. Es ist im Vergleich zu herkömmlichen SMD-Widerständen in weiten Bereichen nahezu beliebig pulsbelastbar.
  • Das diskrete Widerstandsbauelement eignet sich aufgrund seiner Bauform insbesondere auch zum Einsatz bei Sandwich- Aufbauten, das heißt Aufbauten, bei denen die Bauelemente zwischen zwei Schaltungsträgern montiert werden. Wählt man bei diesem Aufbau eine Höhe der Platte des diskreten Widerstandsbauelements so, dass diese mit der Höhe der übrigen Bauelemente übereinstimmt, die zwischen den zwei Schaltungsträgern montiert werden, so lässt sich das diskrete Widerstandsbauelement im gleichen Prozessschritt höchst effizient und kostensparend zusammen mit den anderen Baueelementen montieren.
  • Zudem ist ein elektrischer Widerstandswert des diskreten Widerstandsbauelements durch eine entsprechende Formgebung der Platte sehr genau einstellbar. Beispielsweise lässt sich der Wert des elektrischen Widerstands R verringern, wenn die Grundfläche A der Platte größer gewählt wird, die Dicke bzw. Höhe h der Platte kleiner gewählt wird oder der spezifische Widerstand ρ der Kontaktflächen und/oder des resistiven Volumenmaterials kleiner gewählt wird, beispielsweise nach einer Beziehung R = ρ·h/A.
  • Auch ein thermischer Widerstand Rth des diskreten Widerstandsbauelements lässt sich mittels der oben genannten Formgebungsparameter an die thermischen Erfordernisse der zu entwickelnden Schaltung anpassen, so dass eine thermische Belastbarkeit der Schaltung mittels des diskreten Widerstandsbauelements einstellbar ist. Der Wert für den thermischen Widerstand Rth lässt sich in entsprechender Weise verringern, wenn die Grundfläche A der Platte größer gewählt wird, die Dicke bzw. Höhe h der Platte kleiner gewählt wird oder die Wärmeleitfähigkeit L der Kontaktflächen und/oder des resistiven Volumenmaterials größer gewählt wird, beispielsweise nach der Beziehung Rth = h/(L·A).
  • Aufgrund des plattenförmigen Aufbaus des diskreten Widerstandsbauelements ist das thermische Verhalten günstiger als bei vergleichbaren SMD-Widerständen, bei denen aufgrund des Montageverfahrens, üblicherweise zwischen zwei Leiterbahnen, die relative Fläche, über die der Wärmeübergang er folgt, begrenzt ist. Bezogen auf das Volumen des SMD-Bauelements ist die nutzbare Fläche für den Wärmeübergang deutlich kleiner als bei dem erfindungsgemäßen diskreten Widerstandsbauelement, das die volle Fläche seiner Unter- bzw. Oberseite für den Wärmeaustausch nutzen kann.
  • Wird das diskrete Widerstandsbauelement beispielsweise im Leistungspfad einer Schaltung eingesetzt, so kann über die Formgebungsparameter in einfacher Weise und effizient die Verlustleistungsabfuhr durch das diskrete Widerstandsbauelement berechnet werden und über eine Variation der Formgebungsparameter das thermische Verhalten der Schaltung optimiert werden. Die oben angegebene Beziehung zur Bestimmung des thermischen Widerstands kann beispielsweise in Simulationsprogrammen zum Schaltungsentwurf verwendet werden, um eine optimale Form des diskreten Widerstandsbauelements zu bestimmen und geeignete Schaltungsparameter zu ermitteln.
  • Mit einer geeigneten Einstellung der genannten Formgebungsparameter lassen sich Toleranzen für den elektrischen Widerstandswert unterhalb von 5% realisieren. Das erfindungsgemäße diskrete Widerstandsbauelement lässt sich passgenau auf den geforderten Widerstandswert einstellen und erlaubt damit den Entwurf von hochpräzisen elektronischen Schaltungen, die effizient an die Wünsche des Kunden angepasst werden können ohne zusätzliche Kosten durch Ausschuss, Anpassungsmaßnahmen oder Schaltungsredesign zu verursachen. Mittels des beschriebenen sehr effizienten Montageverfahrens lassen sich beim Schaltungsentwurf und bei der Herstellung sogar Kosten einsparen.
  • Mittels geeigneter Dotierungen des resistiven Volumenmaterials, wenn dieses aus einem Halbleitermaterial besteht, lässt sich für das diskrete Widerstandsbauelement auch ein nichtlinearer Widerstandswert erzeugen, so dass sich mit diesem diskrete Diodenstrukturen bzw. -elemente realisieren lassen, die sich in gleicher Weise flexibel und effizient einsetzen lassen.
  • Bezug nehmend auf die beiliegenden 1 bis 9b werden nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine räumliche Darstellung eines diskreten Widerstandsbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 2 eine Strom-Spannungs-Charakteristik und ein Ersatzschaltbild eines diskreten Widerstandsbauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 3 eine räumliche Darstellung eines Leistungsmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 4 eine räumliche Darstellung eines Leistungsmoduls gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 5 eine räumliche Darstellung eines Leistungsmoduls gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 6 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch ein Leistungsmodul gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 7 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch ein Leistungsmodul gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 8a ein Flussdiagramm zu einem Verfahren zum Herstellen eines diskreten Widerstandsbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 8b ein Flussdiagramm zu einem Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 9a eine räumliche Darstellung eines herkömmlichen Leistungshalbleitermoduls; und
  • 9b eine räumliche Darstellung eines weiteren herkömmlichen Leistungshalbleitermoduls.
  • 1 zeigt eine räumliche Darstellung eines diskreten Widerstandsbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das diskrete Widerstandsbauelement 21 umfasst eine Platte oder ein Plättchen aus einem resistiven Volumenmaterial 25, aus einer ersten Kontaktfläche 26 auf einer Oberseite der Platte und aus einer zweiten Kontaktfläche 27 auf einer Unterseite der Platte. Die Platte hat eine Höhe h, die geringer als eine Länge l oder eine Breite b der Grundfläche der Platte ist. Die Länge l bzw. die Breite b der Grundfläche lassen sich auch durch den Begriff der Dimension der Grundfläche umschreiben. Das resistive Volumenmaterial 25 unterscheidet sich von dem Material der ersten Kontaktfläche 26 und von dem Material der zweiten Kontaktfläche 27. Das diskrete Widerstandsbauelement 21 besitzt, ähnlich wie ein vertikaler Leistungshalbleiterchip, elektrische Kontaktflächen 26, 27 auf der Oberseite und der Unterseite des Widerstandskörpers, d. h. des resistiven Volumenmaterials 25. Das diskrete Widerstandsbauelement 21 ist montagetechnisch einem Leistungshalbleiterchip sehr ähnlich und damit direkt kompatibel zu den in der modernen Modulfertigung eingesetzten Montageverfahren.
  • Das diskrete Widerstandsbauelement 21 ist so geschaffen, dass es elektrische Kontaktflächen 26, 27 auf der Ober- und Unterseite besitzt, die zu dem jeweils vorgesehenen Fügeverfahren passen, beispielsweise an der Oberseite z. B. aus Aluminium für eine gute Bondbarkeit mit Aluminiumdickdraht- Bonds und beispielsweise an der Unterseite Silber für eine sinterbare oder lötbare Verbindung. Das Material der ersten Kontaktfläche 26 kann sich von dem Material der zweiten Kontaktfläche 27 unterscheiden, beispielsweise wenn die Oberseite gebondet wird, während die Unterseite gesintert oder gelötet wird. Jedoch kann das Material der ersten Kontaktfläche 26 und/oder der zweiten Kontaktfläche 27 auch aus Aluminium, Silber, Kupfer, einem anderen Metall oder einem elektrisch leitfähigen Kunststoff oder Polymer bestehen. Das Material der ersten Kontaktfläche 26 und das Material der zweiten Kontaktfläche 27 kann so gewählt werden, dass sich das Material der ersten Kontaktfläche 26 beispielsweise für ein Bonden eignet und dass sich das Material der zweiten Kontaktfläche 27 beispielsweise für ein Löten, Sintern oder Leitkleben eignet. Werden beide Kontaktflächen 26, 27 in gleicher Weise verarbeitet, beispielsweise gesintert oder gelötet, so können auch beide Kontaktflächen 26, 27 aus dem gleichen Material bestehen, beispielsweise Silber. Das resistive Volumenmaterial 25 eignet sich besonders für eine hohe Impulsstrombelastbarkeit und Langzeitkonstanz des Widerstandswerts, was durch einen resistiven Volumeneffekt bewirkt wird. Das resistive Volumenmaterial 25 kann beispielsweise aus passend dotiertem einkristallinem, polykristallinem oder amorphem Halbleitermaterial bestehen, z. B. Silizium, Siliziumcarbid oder ähnlichem.
  • Möglich ist auch der Einsatz von Graphit oder Matrixverbundwerkstoffen wie Aluminiumsiliziumcarbid AlSiC, d. h. mit Aluminium infiltriertem porösen Siliziumkarbid, was beispielsweise für Modulgrundplatten eingesetzt werden kann, oder Aluminiumgraphit, d. h. mit Aluminium infiltriertes poröses Graphit. Ferner ist auch der Einsatz elektrisch leitfähiger, z. B. mit Silberpartikeln gefüllter Polymere möglich, sowie die Verwendung von elektrisch leitfähigen Widerstandspasten, wie sie z. B. in der Dickschicht-, LTCC- oder HTCC-Technik eingesetzt werden. Diskrete Widerstandsbauelemente 21 gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung können einen Widerstandswert mit einer Toleranz kleiner 5% aufweisen. Dabei sind das resistive Volumenmaterial 25, das Material der ersten Kontaktfläche 26 und das Material der zweiten Kontaktfläche 27 so dimensioniert, dass ein elektrischer Widerstand des resistiven Volumenmaterials 25 größer ist als ein elektrischer Widerstand des Materials der ersten Kontaktfläche 26 und des Materials der zweiten Kontaktfläche 27, z. B. fünfmal so groß. Diskrete Widerstandsbauelemente gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung weisen Widerstandswerte auf, die im Bereich von wenigen Ohm bis hin zu einigen 10 Ohm liegen. Bei weiteren Ausführungsbeispielen können die Widerstandswerte auch im Bereich von Kiloohm liegen.
  • Das diskrete Widerstandsbauelement 21 der 1 ist quaderförmig aufgebaut mit einer Länge l und einer Breite b der Grundfläche und einer Höhe h der gesamten Platte. Allerdings ist die Geometrie eines diskreten Widerstandsbauelements 21 nicht auf eine quaderförmige Geometrie beschränkt. Beispielsweise kann das diskrete Widerstandsbauelement 21 auch eine runde Form, eine quadratische Form, eine dreieckige Form, eine hexagonale Form, eine trapezartige Form oder eine sonstige Form der Grundfläche aufweisen.
  • Die Dicke bzw. Höhe h des diskreten Widerstandsbauelements 21, gemäß der Darstellung in 1, kann in weiten Grenzen gewählt werden, vorteilhaft liegt die Dicke bzw. Höhe h im Bereich von 50 μm bis 2 mm. In einer besonders vorteilhaften, da auch für Sandwich-Aufbauten besonders geeigneten Ausführungsform ist die Dicke bzw. Höhe h des diskreten Widerstandsbauelements 21 so gewählt, dass sie einer Dicke bzw. Höhe der verwendeten Leistungshalbleiterchips entspricht.
  • Die zweite Kontaktfläche 27 kann auch kleiner ausgeführt sein als die erste Kontaktfläche 26, beispielsweise so dass das diskrete Widerstandsbauelement 21 die Form eines Abschnitts einer Pyramide oder eines Kegels aufweist. Die erste Kontaktfläche 26 kann auch in der Ebene, die durch sie definiert wird, verschoben oder gedreht angeordnet sein, sie braucht nicht räumlich auf die zweite Kontaktfläche 27 hin ausgerichtet sein, wie dies in dem Ausführungsbeispiel der 1 der Fall ist. Auch das resistive Volumenmaterial 25 kann abhängig von einer Dimension der Höhe verschiedene Grundflächen aufweisen, beispielsweise wäre es auch möglich, dass das resistive Volumenmaterial 25 in der Mitte zwischen den beiden Kontaktflächen 26, 27 eingeschnürt ist, und sich nach außen, d. h. in Richtung auf die beiden Kontaktflächen 26, 27 hin verbreitert, um die beiden Kontaktflächen 26, 27 vollständig oder nahezu vollständig zu kontaktieren. Ferner ist es auch möglich, dass die beiden Kontaktflächen 26, 27 sich teilweise überlappen, beispielsweise können alle Außenseiten des diskreten Widerstandsbauelements 21 aus dem Material der ersten Kontaktfläche 26 oder dem Material der zweiten Kontaktfläche 27 geformt sein und sich überlappen, aber nicht berühren, während ein Innenraum des diskreten Widerstandsbauelements 21 aus dem resistiven Volumenmaterial 25 geformt ist. Zum Beispiel wäre ein schachtelförmiger Aufbau denkbar, bei dem das resistive Volumenmaterial 25 verhindert, dass sich Schachteloberteil und Schachtelunterteil berühren. In Abhängigkeit der verschiedenen Ausformungsvarianten kann ein Widerstandswert des diskreten Widerstandsbauelements 21 gezielt eingestellt werden.
  • Das diskrete Widerstandsbauelement 21 kann mit einer der beiden Kontaktflächen 26, 27 auf einen Kühlkörper montiert werden oder auf eine Leiterbahn eines Substrats, das thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt sein kann oder selbst einen Kühlkörper darstellt. Die großen Ausmaße der Grundfläche der Platte des diskreten Widerstandsbauelements 21 bewirken eine effektive Kopplung mit dem Kühlkörper, so dass über die gesamte oder nahezu die gesamte Grundfläche der Platte ein Wärmeaustausch stattfinden kann. Das Material der zweiten Kontaktfläche 27 auf der Unterseite der Platte kann beispielsweise mit einem Material einer Leiter bahn übereinstimmen, auf das das diskrete Widerstandsbauelement 21 montiert ist, um einen optimalen Wärmeübergang zu ermöglichen. Die Höhe h des diskreten Widerstandsbauelements 21 kann an eine Höhe von anderen Bauelementen angepasst werden, mit denen das diskrete Widerstandsbauelement 21 wechselwirkt. Auch die Materialien des resistiven Volumenmaterials 25, der ersten Kontaktfläche 26 und der zweiten Kontaktfläche 27 können aus Materialien bestehen, die beispielsweise bei einem Halbleiterfertigungsprozess üblicherweise verwendet werden. Damit ist das diskrete Widerstandsbauelement 21 skalierbar mit einer Technologie des Halbleiterfertigungsprozesses und lässt sich in einem gleichen Schritt des Fertigungsprozesses fertigen, in dem benachbarte Bauelemente, beispielsweise Leistungshalbleiter, Transistoren oder Dioden gefertigt werden. Die Kontaktflächen 26, 27 können eine Metallisierung aufweisen, die der Metallisierung entspricht, die zur Fertigung benachbarter Bauelemente genutzt wird. Das resistive Volumenmaterial 25 kann beispielsweise dotiertes Silizium sein und damit einem dotiertem Silizium entsprechen, das für die Fertigung benachbarter Leistungshalbleiter verwendet wird. Solch eine Ausführung bietet auch den Vorteil, dass ein Wärmeausdehnungskoeffizient des diskreten Widerstandsbauelements 21 dem Wärmeausdehnungskoeffizient von benachbarten Bauelementen entspricht, so dass es beim Einsatz des diskreten Widerstandsbauelements 21 zu keinen unterschiedlichen Materialausdehnungen kommt, und somit eine Schaltung aus diskreten Widerstandsbauelementen 21 und weiteren Halbleiterbauelementen ein sehr homogenes Temperaturverhalten aufweist.
  • Bei diskreten Widerstandsbauelementen 21 gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung oder Leistungsmodulen mit diskreten Widerstandsbauelementen 21 gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung erfolgt gegenüber einer Aufbringung auf dem Substrat der Treiberelektronik eine bessere thermische Anbindung des diskreten Widerstandsbauelements 21 an die Kühlstruktur, beispielsweise über das Trägermaterial des Leistungsteils oder über den Leistungshalbleiter. Durch die bessere thermische Anbindung kann das diskrete Widerstandsbauelement 21 kleiner ausgeführt sein. Beispielsweise können mehrere herkömmliche parallel oder in Serie geschaltete diskrete Widerstände mittels des diskreten Widerstandsbauelements 21 zu einem Bauteil zusammengefasst werden. Durch die bessere thermische Anbindung kann eine auf der Treiberplatine zusätzlich vorgesehene Fläche für die Abführung der Wärme entfallen. Das Aufbringen des diskreten Widerstandsbauelements 21 lässt sich ohne Hinzufügen weiterer Prozessschritte in den bestehenden Fertigungsablauf integrieren. Ein Pick-and-Place-Verfahren kann beibehalten werden, das diskrete Widerstandsbauelement 21 lässt sich in der gleichen Weise aufnehmen („pick”) und platzieren („place”) wie benachbarte Bauelemente der Fertigungslinie. Es ist sogar möglich, mit der gleichen Vorrichtung, die für ein Leistungsbauelement entwickelt wurde, auch das diskrete Widerstandsbauelement 21 aufzunehmen und zu platzieren, d. h. es in dem gleichen Pick and Place-Schritt zu montieren.
  • Für die erste Kontaktfläche 26 auf der Oberseite der Platte des diskreten Widerstandsbauelements 21 kann die Wirebond-Technologie für die oberseitige elektrische Kontaktierung beibehalten werden. Da die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Bauteile, beispielsweise eines Leistungshalbleiters und des diskreten Widerstandsbauelements 21, bei dem das resistive Volumenmaterial 25 ein Halbleitermaterial ist, besser aufeinander abgestimmt sind, als dies bei der herkömmlichen Unterbringung auf der Leiterplatte der Treiberelektronik, die beispielsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff (FR-4) besteht, der Fall ist, zeichnen sich Schaltungen mit diskreten Widerstandsbauelementen 21 durch eine höhere Zuverlässigkeit gegenüber herkömmlichen Bauweisen aus. Leistungsmodule gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung mit diskreten Widerstandsbauelementen 21 lassen sich ohne zusätzlich erforderliche Substratfläche und unter Beibehaltung einer hohen Layout-Symmetrie im Steuerstromkreis realisieren, wobei parallel geschaltete Leistungshalbleiterchips mit individuellen diskreten Widerstandsbau elementen versehen werden können. Das diskrete Widerstandsbauelement 21 eignet sich auch zum Einsatz in „Substrat-Sandwich”-Aufbauten, d. h. Aufbauten, bei denen Bauelemente zwischen zwei Substraten in der Art eines Sandwiches angeordnet sind.
  • Das diskrete Widerstandsbauelement 21 kann in die Steuerleitung von einem oder mehreren Leistungshalbleitern geschaltet werden, um beispielsweise die Schaltgeschwindigkeit einzustellen, das dynamische Verhalten bei mehreren parallel geschalteten Halbleiterschaltern zu symmetrieren bzw. ein symmetrisches Schalten der Leistungshalbleiterchips zu gewährleisten oder um Oszillationen zwischen den Leistungshalbleitern zu unterdrücken.
  • Das diskrete Widerstandsbauelement 21 kann sich besonders substratflächen sparend einsetzen lassen und ist vollständig kompatibel zur Montagetechnik heutiger Leistungsmodule. Das diskrete Widerstandsbauelement weist eine hohe thermische Belastbarkeit sowie eine außerordentlich niedrige parasitäre Induktivität auf. Herkömmliche (SMD) Widerstände können durch diskrete Widerstandsbauelemente gem. Ausführungsbeispielen der Erfindung ersetzt und bei gleichzeitig verminderten Systemkosten aus der Treiberelektronik auf das gut gekühlte Leistungssubstrat verlagert werden. Auch bei mehreren parallel geschalteten Leistungshalbleiterchips lassen sich bei Ausführungsbeispielen der Erfindung die einzelnen Leistungshalbleiterchips mit individuellen Vorwiderständen, d. h. diskreten Widerstandsbauelementen gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung, versehen, ohne die Substratfläche zu erhöhen und unter Beibehaltung einer hohen Layout-Symmetrie im Steuerstromkreis. Bei einem Leistungsmodul gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Treiberelektronik aufgrund der deutlich reduzierten Verlustleistung erheblich kompakter ausgeführt sein, so dass sich die maximal mögliche Einsatz- bzw. Umgebungstemperatur und die Zuverlässigkeit der Treiberelektronik dadurch deutlich erhöht.
  • Diskrete Widerstandsbauelemente gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung lassen sich jedoch nicht nur in Leistungsmodulen einsetzen, sondern können auch in anderen Layouts für eine Reduktion des Substratflächenbedarfs sorgen. Beispielsweise lassen sich diskrete Widerstandsbauelemente gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung überall dort einsetzen, wo herkömmlicherweise SMD-Widerstände genutzt werden. Dies sind eine Vielzahl von elektronischen Schaltungen, die beispielsweise in Prozessorschaltungen, Steuerschaltungen, Kommunikationsschaltungen, Rechenschaltungen, Datenübertragungsschaltungen oder anderen Schaltungen in Analog- oder Digitaltechnik genutzt werden. Ferner ist es möglich, diskrete Widerstandsbauelemente gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung bei entsprechender Dimensionierung der Größe und der Leitfähigkeit des resistiven Volumenmaterials auch in Hochspannungsschaltungen einzusetzen, um beispielsweise hohe Spannungen bzw. Ströme über das diskrete Widerstandsbauelement in Wärme umzusetzen und über die leitenden Kontaktflächen für eine adäquate Wärmeabfuhr zu sorgen. Weiterhin lassen sich auch herkömmliche Diodenstrukturen, die eine nicht-lineare Strom-Spannungs-Charakteristik aufweisen, durch ein diskretes Widerstandsbauelement gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung ersetzen. Mit diskreten Widerstandsbauelementen gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung lassen sich nicht-lineare Strom-Spannungs-Charakteristika realisieren, so dass sich diskrete Widerstandsbauelemente gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung beispielsweise auch in Brückenschaltungen, z. B. H-Brückenschaltungen zur Motorsteuerung, High-side oder Low-side Switches der Leistungselektronik (versorgungsspannungsseitige- oder masseseitige Schalter), PFC(Power Factor Correction bzw. Leistungsfaktorkorrektur)-Schaltungen der Antriebstechnik, Schaltungen für Schaltnetzteile sowie allgemeine Transistorschaltungen einsetzen lassen.
  • Mit dem diskreten Widerstandsbauelement 21 können vorteilhaft nichtlineare oder polaritätsabhängige Widerstandscha rakteristiken realisiert werden, z. B. durch den Einsatz von Halbleitertechniken bei der Herstellung des diskreten Widerstands 21. Damit ist es möglich, ein Ein- und Ausschaltverhalten von Leistungshalbleitern mit nur einem Bauelemente, d. h. dem diskreten Widerstandsbauelement 21, unabhängig zu optimieren. Ein solches Ausführungsbeispiel eines diskreten Widerstandsbauelements 21 ist in 2 aufgezeigt.
  • 2 zeigt eine Strom-Spannungs-Charakteristik und ein Ersatzschaltbild eines diskreten Widerstandsbauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das diskrete Widerstandsbauelement 21 kann bezüglich der ersten Kontaktfläche 26 und der zweiten Kontaktfläche 27 als eine Parallelschaltung aus einem ersten Widerstand R1 und einem mit einer Diode D in Serie geschalteten zweiten Widerstand R2 dargestellt werden, wobei die Diode D bezüglich der ersten Kontaktfläche 26 und der zweiten Kontaktfläche 27 in Durchlassrichtung gepolt ist.
  • Beispielsweise durch eine geeignete Dotierung eines Halbleitermaterials aus dem das resistive Volumenmaterial 25 aufgebaut ist, kann sich ein von der Polarität der anliegenden Spannung V26-27 abhängiger (nichtlinearer) Widerstandswert ergeben, mit dem sich eine Diodenstruktur entsprechend der 2 realisieren lässt. Das diskrete Widerstandsbauelement 21 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist einen größeren Widerstand R1 in einem ersten Zweig der Parallelschaltung auf als einen Widerstand R2 in einem zweiten Zweig der Parallelschaltung, wobei der zweite Widerstand R2 mit der Diode D in Durchlassrichtung in Serie geschaltet ist. Die Kennlinie zeigt das nichtlineare Verhalten auf: Abhängig von einer Spannung V26-27 zwischen der ersten Kontaktfläche 26 und der zweiten Kontaktfläche 27 des diskreten Widerstandsbauelements 21 hat die Kennlinie bis zu einer Schwellwertspannung Vth einen ersten linearen Verlauf mit einer ersten Steigung I26-27/U26-27, die dem inversen ersten Widerstandswert R1 entspricht. Ab der Schwellwertspannung Vth hat die Kennlinie einen zweiten, näherungsweise linearen Verlauf mit einer zweiten Steigung I26-27/U26-27, die dem inversen zweiten Widerstandswert R2 entspricht. Da in dem Diagramm der 2 der Strom I26-27 über der Spannung V26-27 zwischen der ersten Kontaktfläche 26 und der zweiten Kontaktfläche 27 aufgezeigt ist, entspricht eine größere Steigung einem kleineren Widerstandswert. Somit stellt der zweite Widerstandswert R2 einen kleineren Widerstand dar als der erste Widerstandswert R1.
  • Die in 2 dargestellte Kennlinie kann beispielsweise durch eine Diodenstruktur 22 mit hohem Leckstrom bzw. einer parallelen niederohmigen Zone realisiert werden. Eine solche Diodenstruktur 22 ist durch die gestrichelte Linie in der 2 dargestellt. Damit ergibt sich bei dem im Steuerkreis geschalteter Leistungshalbleiter vorliegenden Großsignalbetrieb im ersten Quadranten Q1 der Kennlinie, d. h. in dem Bereich, in dem der inverse zweite Widerstand R2 die Kennlinie 22 approximativ darstellt, eine deutlich größere Steigung und damit ein niedrigerer effektiver Widerstand (zweiter Widerstand R2) als im dritten Quadranten Q3, d. h. in dem Bereich, in dem der inverse erste Widerstand R1 die Kennlinie 22 approximativ darstellt. Durch eine entsprechende Anpassung der Widerstandswerte R2 im ersten Q1 und R1 im dritten Q3 Quadranten erlaubt es damit ein diskretes Widerstandsbauelement 21 unabhängig voneinander das Ein- und Ausschaltverhalten des Leistungshalbleiters zu optimieren. Bei herkömmlichen Schaltungen ist dies nur mit getrennten Gate-Widerständen und entweder einer Diode oder zwei Zuleitungen zur Treiberelektronik möglich. Vorzugsweise liegen Werte für den effektiven Widerstand eines solchen diskreten Widerstandsbauelement 21 z. B. für den zweiten Widerstand R2 im Bereich von etwa 1 bis 3 Ohm im ersten Quadranten Q1 und z. B. für den ersten Widerstand R1 im Bereich von etwa 6 bis 15 Ohm im dritten Quadranten Q3,. Über die Orientierung des diskreten Widerstandsbauelements 21 kann festgelegt werden, ob beispielsweise das Ausschalten langsamer als das Einschalten erfolgen soll, wie dies häufig in hartgeschalteten Anwendungen der Fall ist, oder ob umgekehrt hart aus- und besonders langsam eingeschaltet werden soll, wie dies beispielsweise in vielen resonanten Wandlern (ZVS) gewünscht ist.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel lässt sich auch ein diskretes Widerstandsbauelement 21 realisieren, das in dem ersten Quadranten Q1 eine kleinere Steigung und damit einen größeren effektiven Widerstand aufweist als in dem dritten Quadranten Q3.
  • 3 zeigt eine räumliche Darstellung eines Leistungsmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Leistungsmodul 40 umfasst drei Leistungsbauelemente 10a, 10b, 10c, die auf einem Substrat 11 angeordnet sind. Die Anschlüsse der drei Leistungshalbleiter 10a, 10b, 10c sind mittels Bond-Drähten 12a, 12b, 12c mit einer Leiterbahn 16 und mittels Bonddrähten 18 mit einer zweiten Leiterbahn 19 verbunden, wobei die Leiterbahn 16 und die zweite Leiterbahn 19 auf dem Substrat 11 angeordnet sind. Die drei Leistungshalbleiter 10a, 10b, 10c sind mit ihren Unterseiten, die beispielsweise den Drain-Anschluss bilden, auf eine Metallisierungsschicht 20 montiert, die auf dem Substrat 11 angeordnet ist. Sowohl die Metallisierungsschicht 20, als auch die Leiterbahn 16 und die zweite Leiterbahn 19 sind elektrisch voneinander getrennt auf dem Substrat 11 angeordnet, um die jeweiligen Anschlüsse, beispielsweise Drain, Source und Gate der Leistungshalbleiter, isoliert auf das Substrat 11 herauszuführen. Die Source-Anschlüsse der Leistungshalbleiter 10a, 10b, 10c sind mittels Source-Bond-Drähten 18 mit der zweiten Leiterbahn 19 verbunden und die Gate-Anschlüsse der drei Leistungshalbleiter 10a, 10b, 10c sind mittels der jeweiligen Gate-Bond-Drähte 12a, 12b, 12c und einem jedem Leistungshalbleiter 10a, 10b, 10c zugeordneten diskreten Widerstandsbauelement 21a, 21b, 21c mit der Leiterbahn 16 verbunden. Auf der Leiterbahn 16 befindet sich eine Kontaktstelle 23, die einen elektrischen Kontakt mit einem elektrischen Leiter 17 herstellt, der außerhalb einer Ebene verläuft, die durch das Substrat 11 aufgespannt wird, und der beispielsweise die Leiterbahn 16 mit einem Gehäuseanschluss eines Gehäuses des Leistungsmoduls 40 verbindet oder eine Verbindung zu einem anderen Modul oder Chip darstellt.
  • Zur genaueren Darstellung der Leistungshalbleiter 10a, 10b, 10c und der diskreten Widerstandsbauelemente 21a, 21b, 21c, sind jeweils zwei von beiden optisch vergrößert dargestellt und am oberen und unteren Rand der 3 abgebildet. Das Leistungsbauelement bzw. der Leistungshalbleiter 12a besitzt eine frei zugängliche Oberfläche 43a, auf der eine Kontaktfläche 41a ausgebildet ist, die den Steueranschluss 42a des Leistungsbauelements 10a darstellt. Der Steueranschluss 42a entspricht in diesem Ausführungsbeispiel dem Gateanschluss, kann jedoch in anderen Ausführungsbeispielen, beispielsweise bei Bipolartransistoren auch dem Basisanschluss entsprechen. Entsprechend weist das zweite Leistungsbauelement 10b bzw. das dritte Leistungsbauelement 10c eine frei zugängliche Oberfläche 43b bzw. 43c auf, auf der eine Kontaktfläche 41b bzw. 41c ausgebildet ist, die den Steueranschluss 42b, 42c des Leistungsbauelements 10b bzw. 10c darstellt. Der Gate-Bond-Draht 12a ist mit dem Steueranschluss 42a des Leistungsbauelements 10a verbunden. Entsprechendes gilt für den Gate-Bond-Draht 12b und den Gate-Bond-Draht 12c der zwei weiteren Leistungsbauelemente 10b, 10c.
  • Die diskreten Widerstandsbauelemente 21a, 21b, 21c sind jeweils auf der Leiterbahn 16 derart montiert, dass ihre zweiten Kontaktflächen 27a, 27b, 27c mit der Leiterbahn 16 eine Oberflächenverbindung ausbilden, wobei alle drei zweiten Kontaktflächen 27a, 27b, 27c über die Leiterbahn 16 untereinander kurzgeschlossen sind. Die ersten Kontaktflächen 26a, 26b, 26c der diskreten Widerstandsbauelemente 21a, 21b, 21c sind unter Ausbildung eine Bond-Verbindung jeweils mit den Gate-Bond-Drähten 12a, 12b, 12c verbunden, so dass ein jeweiliges diskretes Widerstandsbauelement 21a, 21b, 21c seriell in den Steuerpfad des entsprechenden Leistungs halbleiters 10a, 10b, 10c geschaltet ist. Die jeweiligen ersten Kontaktflächen 26a, 26b, 26c bestehen beispielsweise aus einem Material, das sich besonders gut für ein Bonden eignet, während die jeweiligen zweiten Kontaktflächen 27a, 27b, 27c aus einem Material bestehen, das sich besonders gut für ein Löten, Sintern oder Leitkleben eignet, um die diskreten Widerstandsbauelemente 21a, 21b, 21c auf die Leiterbahn 16 zu montieren. Der elektrische Leiter 17 lässt sich beispielsweise mit einer Steuerung verbinden, um die Steueranschlüsse 42a, 42b, 42c der drei Leistungsbauelemente 10a, 10b, 10c mittels der diskreten Widerstandsbauelemente 21a, 21b, 21c anzusteuern. Dabei können die drei diskreten Widerstandsbauelemente 21a, 21b, 21c jeweils unterschiedliche Widerstandswerte aufweisen, die optimal an das jeweilige Leistungsbauelement 10a, 10b, 10c anpassbar sind. Damit können verschiedene Leistungsbauelemente 10a, 10b, 10c individuell angesteuert werden.
  • In 3 ist ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel aufgezeigt. Dabei sind mehrere Leistungshalbleiterchips 10a, 10b, 10c auf einem Schaltungsträger bzw. einem Substrat 11 montiert, die über individuelle Ansteuerwiderstände 21a, 21b, 21c verfügen. Die Leiterbahn 16 bildet eine Steuerleitung, die über die elektrische Verbindungsleitung 17 elektrisch mit der Treiberelektronik kontaktiert ist. Die elektrische Verbindungsleitung 17 kann beispielsweise als Draht-Bond oder Kopfdraht ausgeführt sein. Auf die Metallisierungsbahn 16 bzw. die Leiterbahn 16 sind die diskreten Widerstandsbauelemente 21a, 21b, 21c gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung montiert, wobei die Verbindung zwischen den diskreten Widerstandsbauelementen 21a, 21b, 21c und der Leiterbahn 16 durch Fügeverfahren wie z. B. Löten, Sintern oder Leitkleben hergestellt sein kann. Die ersten Kontaktflächen 26a, 26b, 26c auf der Oberseite der diskreten Widerstandsbauelemente 21a, 21b, 21c sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel vorteilhaft mit einer bondbaren Oberfläche ausgestattet. Durch einen Draht-Bond bzw. Gate-Bond-Drähte 12a, 12b, 12c zwischen den Steueran schlüssen 42a, 42b, 42c der Leistungshalbleiter 10a, 10b, 10c und den ersten Kontaktflächen 26a, 26b, 26c der diskreten Widerstandsbauelemente 21a, 21b, 21c werden die diskreten Widerstandsbauelemente 21a, 21b, 21c in den Steuerstrompfad der Leistungshalbleiter 10a, 10b, 10c geschaltet. Eine viel von der teueren Substratfläche kostende Unterbrechung der Leiterbahn 16, wie dies bei herkömmlichen oberflächenmontierbaren Widerständen notwendig ist, und beispielsweise in 9b aufgezeigt ist, entfällt. Der Abstand zwischen den Leistungshalbleitern 10a, 10b, 10c und der zweiten Leiterbahn 19 kann gering gehalten werden und damit auch die Länge der Source-Bond-Drähte 18, die den Gesamtstrom der Schalter führen. Ausführungsbeispiele der Erfindung erlauben damit nicht nur kompaktere Module mit besserer elektrischer Leistungsfähigkeit, sondern bieten auch Kostenvorteile gegenüber herkömmlichen Leistungsmodulen.
  • Somit ist es mit dem erfindungsgemäßen Design gemäß der 3 möglich, den einfachen Schaltungsentwurf gemäß der 9a beizubehalten und damit ohne das Einfügen zusätzlicher Leiterbahnen auszukommen, das insbesondere bei Keramiksubstraten mit hohen zusätzlichen Kosten verbunden ist. Gleichzeitig erhält jeder Leistungshalbleiter 10a, 10b, 10c im Gegensatz zu dem herkömmlichen Design gemäß der 9b seinen eigenen Widerstand 21a, 21b, 21c, um eine optimale Wärmeabfuhr zu gewährleisten. Bei dem herkömmlichen Entwurf gemäß der 9a ist eine solche Lösung für mehr als zwei parallele Chips bisher geometrisch nicht realisierbar.
  • 4 zeigt eine räumliche Darstellung eines Leistungsmoduls gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Leistungsmodul 50 umfasst drei Leistungsbauelemente 10a, 10b, 10c, die auf einer Metallisierungsschicht 20 auf einem Substrat 11 montiert sind. Die Leistungshalbleiter 10a, 10b, 10c entsprechen den Leistungshalbleitern 10a, 10b, 10c aus der Darstellung der 3. Ihre Source-Anschlüsse sind mittels Source-Bond-Drähten 18 mit einer zweiten Leiterbahn 19 verbunden, während ihre Gate- Anschlüsse bzw. Steueranschlüsse mittels Gate-Bond-Drähten 12a, 12b, 12c mit einer Leiterbahn 16 verbunden sind. Im Gegensatz zu der 3 sind die Gate-Bond-Drähte 12a, 12b, 12c nicht mittels diskreter Widerstandsbauelemente 21a, 21b, 21c mit der Leiterbahn 16 verbunden, sondern direkt mit der Leiterbahn 16 verbunden. Das Leistungsmodul 50 weist im Gegensatz zu dem Leistungsmodul 40 nur ein diskretes Widerstandsbauelement 21 auf, das auf der Leiterbahn 16 an der Kontaktstelle 23 mit der elektrischen Verbindungsleitung 17 montiert ist, wobei die erste Kontaktfläche 26 des diskreten Widerstandsbauelements 21 mit der elektrischen Verbindungsleitung 17 kontaktiert ist und die Kontaktstelle 23 bildet und wobei die zweite Kontaktfläche 27 direkt auf die Leiterbahn 16 aufgebracht ist und mit der Leiterbahn 16 eine Oberflächenverbindung bildet. Die Verbindung der zweiten Kontaktfläche 27 und der Leiterbahn 16 kann beispielsweise mittels Löten, Sintern oder Leitkleben hergestellt werden, während die elektrische Verbindungsleitung 17 beispielsweise eine Bondingverbindung mit der ersten Kontaktfläche 26 des diskreten Widerstandsbauelements 21 herstellen kann.
  • Das Ausführungsbeispiel der 4 zeigt die Ansteuerung von drei Leistungsbauelementen 10a, 10b, 10c mittels eines einzigen diskreten Widerstandsbauelements 21. Die Steueranschlüsse 42a, 42b, 42c der drei Leistungsbauelemente 10a, 10b, 10c sind dabei über die Leiterbahn 16 und die Gate-Bond-Drähte 12a, 12b, 12c kurzgeschlossen, so dass eine parallele Ansteuerung der drei Leistungsbauelemente 10a, 10b, 10c über die elektrische Verbindungsleitung 17 und das diskrete Widerstandsbauelement 21 möglich ist. Das diskrete Widerstandsbauelement 21 ist in einer vergrößernden Darstellung am unteren Rand der 4 zeichnerisch herausgeführt.
  • Das Ausführungsbeispiel der 4 ist eine vorteilhafte Ausführungsform, da mehrere Leistungsbauelemente 10a, 10b, 10c auf dem Schaltungsträger bzw. dem Substrat 11 montiert sind, wobei die Leiterbahn 16 eine Steuerleitung bilden kann, die über die elektrische Verbindungsleitung 17 elektrisch mit einer Treiberelektronik kontaktiert sein kann. Die elektrische Verbindungsleitung 17 kann beispielsweise als ein Draht-Bond oder ein Kopf-Draht ausgeführt sein. Auf die Leiterbahn 16 bzw. Metallisierungsbahn 16 ist das diskrete Widerstandsbauelement 21 montiert, wobei die Verbindung zwischen dem diskreten Widerstandsbauelement 21 und der Leiterbahn 16 beispielsweise durch ein Fügeverfahren, wie z. B. Löten, Sintern oder Leitkleben hergestellt werden kann. Die erste Kontaktfläche 26 des diskreten Widerstandsbauelements 21 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel vorteilhaft mit einer bondbaren Oberfläche ausgestattet, so dass die elektrische Verbindungsleitung 17 mittels einer Bonding-Verbindung mit der ersten Kontaktfläche 26 auf der Oberseite der Platte des diskreten Widerstandsbauelements 21 verbunden werden kann. Eine viel von der teueren Substratfläche kostende Unterbrechung der Leiterbahn 16, wie dies bei Verwendung herkömmlicher Oberflächen-montierbarer Widerstände notwendig ist, kann bei Ausführungsbeispielen der Erfindung entfallen. Der Abstand zwischen den Leistungsbauelementen 10a, 10b, 10c und der zweiten Leiterbahn 19 kann gering gehalten werden und damit kann die Länge der Source-Bond-Drähte 18, die den Gesamtstrom der Schalter führen, kurz gehalten werden. Ein Leistungsmodul 50 gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung ist damit gegenüber herkömmlichen Leistungsmodulen, beispielsweise dem in 9a dargestellten Leistungsmodul, kompakter aufgebaut, weist eine bessere elektrische Leistungsfähigkeit bzw. Performance auf und bietet Kostenvorteile gegenüber herkömmlichen Leistungsmodulen.
  • Die Leiterbahn 16 bildet die gemeinsame Steuerleitung der drei steuerseitig hart parallel geschalteten Leistungshalbleiterchips 10a, 10b, 10c. Auf diese Steuerleitung ist das diskrete Widerstandsbauelement 21 montiert, beispielsweise durch Fügeverfahren, wie z. B. Löten, Sintern oder Leitkleben. Aufgrund der vorteilhaften Form des diskreten Wider standsbauelements 21 kann der Widerstand ohne zusätzlichen Platzbedarf in die elektrische Verbindungsleitung 17 zur Steuerelektronik eingeschleift werden. Die elektrische Verbindungsleitung 17 ist direkt auf das diskrete Widerstandsbauelement 21 kontaktierbar, wobei alle herkömmlichen Anschluss- und Fügetechniken eingesetzt werden können. Das elektrische Widerstandsbauelement 21 weist eine bondbare Oberseite, bzw. erste Kontaktfläche 26, auf, um die Verbindung zur Treiberelektronik durch Bonden herzustellen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die erste Kontaktfläche 26 eine lötbare Oberseite auf, um die Verbindung zur Treiberelektronik beispielsweise durch einen Kopf-Draht oder ein Stück isolierten Drahtes herzustellen, der direkt auf die erste Kontaktfläche 26 des diskreten Widerstandsbauelements 21 aufgelötet werden kann.
  • 5 zeigt eine räumliche Darstellung eines Leistungsmoduls gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Leistungsbauelement 60 umfasst drei Leistungsbauelemente 10a, 10b, 10c, die beispielsweise den Leistungsbauelementen 10a, 10b, 10c der 3 und 4 entsprechen, und die auf einer Metallisierungsschicht 20 auf einem Substrat 11 angeordnet sind. Jedes Leistungsbauelement 10a, 10b, 10c weist Source-Anschlüsse auf, die mittels Source-Bond-Drähten 18 mit einer zweiten Leiterbahn 19 verbunden sind, entsprechend der Darstellung der Ausführungsbeispiele der 3 und 4. Die zweite Leiterbahn 19 und eine Leiterbahn 16 sind jeweils getrennt von der Metallisierungsschicht 20 auf dem Substrat 11 angeordnet. Dabei weist die Leiterbahn 16 entsprechend der Darstellung in 3 eine Kontaktstelle 23 auf, an der eine elektrische Verbindungsleitung 17 angebracht ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die diskreten Widerstandsbauelemente 21a, 21b, 21c derart in den Steuerpfad der Leistungsbauelemente 10a, 10b, 10c geschaltet, dass sie mit ihrer jeweiligen zweiten Kontaktfläche 27a, 27b, 27c jeweils auf den Steueranschlüssen 42a, 42b, 42c der drei Leistungsbauelemente 10a, 10b, 10c montiert sind, und mit diesen eine thermisch und elektrisch leitfähige Oberflächenverbindung bilden. In 5 ist am oberen Rand für das erste Leistungsbauelement 10a und das zugehörige erste diskrete Widerstandsbauelement 21a eine vergrößerte Darstellung aufgezeigt, um die Details der Verbindung besser zu erkennen. Eine entsprechende Anordnung gilt für das zweite 10b und dritte 10c Leistungsbauelement, auf denen jeweils das zweite 21b und dritte 21c Widerstandsbauelement montiert sind. Die Gate-Bond-Drähte 12a, 12b, 12c sind jeweils an den ersten Kontaktflächen 26a, 26b, 26c der diskreten Widerstandsbauelemente 21a, 21b, 21c angebracht und verbinden die jeweiligen ersten Kontaktflächen 26a, 26b, 26c mit der Leiterbahn 16.
  • Die individuellen diskreten Widerstandsbauelemente 21a, 21b, 21c bzw. Gate-Widerstände sind in diesem Ausführungsbeispiel „Chip-on-Chip” auf den Steueranschluss 42a, 42b, 42c jedes der Leistungshalbleiterchips bzw. Leistungsbauelemente 10a, 10b, 10c montiert, wobei als Fügetechniken sich herkömmliche Verfahren, wie beispielsweise Löten, Sintern oder Leitkleben einsetzen lassen. Die diskreten Widerstandsbauelemente 21a, 21b, 21c bieten bei diesem Ausführungsbeispiel vorteilhaft eine bondbare erste Kontaktfläche 26a, 26b, 26c auf der Oberseite der Platte der diskreten Widerstandsbauelemente 21a, 21b, 21c, so dass eine einfache Kontaktierung der Steuerleitung bzw. des Steueranschlusses 42a, 42b, 42c über einen Draht-Bond 12a, 12b, 12c möglich ist. Die elektrische Verbindung an den ersten Kontaktflächen 26a, 26b, 26c kann aber auch durch andere elektrische Verbindungsverfahren, beispielsweise über Folienleiter oder Kopf-Draht o. ä. hergestellt werden.
  • Somit ist es mit dem erfindungsgemäßen Design gemäß der 5 ebenso wie mit dem Design der 3 möglich, den einfachen Schaltungsentwurf gemäß der 9a beizubehalten ohne zusätzliche Leiterbahnen einfügen zu müssen. Gleichzeitig erhält jeder Leistungshalbleiter 10a, 10b, 10c im Gegensatz zu dem herkömmlichen Design gemäß der 9b seinen eigenen Widerstand 21a, 21b, 21c, so dass eine optimale Wärmeabfuhr gewährleistet ist.
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Schnittes durch ein Leistungsmodul gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Leistungsmodul 70 umfasst ein erstes Substrat 11, auf dem eine erste strukturierte Metallisierungsbahn 20, 16 aufgebracht ist, und ein zweites Substrat 31, das sandwichartig über dem ersten Substrat 11 bzw. höhenversetzt zu einer Ebene, die durch das erste Substrat 11 aufgespannt wird, angeordnet ist, und auf dem eine zweite strukturierte Metallisierungsbahn 19, 12 gegenüberliegend der ersten strukturierten Metallisierungsbahn 20, 16 des ersten Substrats 11 aufgebracht ist. Das Leistungsbauelement 10 oder auch mehrere Leistungsbauelemente sind dabei sandwichartig zwischen die beiden Substrate 11, 31 montiert. Auch das diskrete Widerstandsbauelement 21 ist neben dem Leistungsbauelement 10 Sandwich-artig zwischen die beiden Substrate 11, 31 montiert. Ein Höhenversatz 71 zwischen dem ersten 11 und dem zweiten 31 Substrat sowie eine Höhe 72 der ersten strukturierten Metallisierungsbahn 20, 16 und eine Höhe 73 der zweiten strukturierten Metallisierungsbahn 19, 12 sind so dimensioniert, dass das Leistungsbauelement 10 und das diskrete Widerstandsbauelement 21 zwischen den strukturierten Metallisierungsbahnen 20, 16 des ersten Substrats 11 und 19, 12 des zweiten Substrats 31 montierbar sind. Zur besseren Darstellung sind das Leistungsbauelement 10 und das diskrete Widerstandsbauelement 21 in vergrößerter Darstellung am Rand der 6 zeichnerisch herausgeführt.
  • Eine erste Steuerleitung 12 ist aus der zweiten strukturierten Metallisierungsbahn 19, 12 geformt, um den Steueranschluss 42 des Leistungsbauelements 10 mit der ersten Kontaktfläche 26 des diskreten Widerstandsbauelements 21 zu verbinden. Eine zweite Steuerleitung 16 ist aus der ersten strukturierten Metallisierungsbahn 20, 16 geformt, um die zweite Kontaktfläche 27 des diskreten Widerstandsbauele ments 21 zu kontaktieren. Die zweite Steuerleitung kann beispielsweise der Leiterbahn 16 aus den Darstellungen der 3, 4 und 5 entsprechen. An die zweite Steuerleitung 16 kann eine elektrische Verbindungsleitung 17 entsprechend der Darstellung der 3 bis 5 kontaktiert werden, um den Steueranschluss 42 nach extern herauszuführen. Die elektrische Verbindungsleitung kann beispielsweise die zweite Steuerleitung mit einem Gehäuse-Pin verbinden, wenn das Leistungsmodul 70 ein Gehäuse aufweist. Die erste Steuerleitung 12 kann beispielsweise den Gate-Bond-Drähten 12a, 12b, 12c aus den Darstellungen der 3 bis 5 entsprechen, da die erste Steuerleitung 12 ebenfalls dazu verwendet wird, um den Steueranschluss 42 des Leistungsbauelements 10 mit der ersten Kontaktfläche 26 des diskreten Widerstandsbauelements 21 zu verbinden. Eine weitere Steuerleitung 19 kann aus der zweiten strukturierten Metallisierungsbahn 19, 12 geformt sein, um eine Verbindung des Source-Anschlusses herzustellen, beispielsweise vergleichbar den Source-Bond-Drähten 18 aus den Darstellungen der 3 bis 5. Eine Metallisierungsschicht 20, die aus der ersten strukturierten Metallisierungsbahn 20, 16 geformt ist, stellt beispielsweise den Drain-Anschluss des Leistungsbauelements 10 dar und entspricht somit der Metallisierungsschicht 20 aus den Darstellungen der 3 bis 5. Beide Substrate 11, 31 können jeweils eine rückseitige Metallisierungsschicht 61, 62 aufweisen. Das diskrete Widerstandsbauelement 21 weist vorteilhafterweise zwei Kontaktflächen 26, 27 auf, die aus einem Material bestehen, das sich für ein Löten, Sintern oder Leitkleben eignet. Beide Kontaktflächen 26, 27 können aus dem gleichen Material bestehen.
  • Das diskrete Widerstandsbauelement 21 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Höhe 74 bzw. Dicke auf, die einer Höhe 75 bzw. Dicke des Leistungsbauelements 10 entspricht, so dass beide Bauelemente 10, 21 unter Beibehaltung der Höhen 72, 73 der beiden strukturierten Metallisierungsbahnen 20, 16 und 19, 12 zwischen die beiden Substrate 11 und 31 mon tiert werden können. In weiteren Ausführungsbeispielen ist es auch möglich, dass das diskrete Widerstandsbauelement 21 eine andere Höhe aufweist als das Leistungsbauelement 10, beispielsweise größer ist als dieses. Ein Höhenunterschied ist dann mittels Anpassung der Höhen 72 und 73 der beiden strukturierten Metallisierungsbahnen 20, 16 und 19, 12 überbrückbar. Je nach Dicke der beiden strukturierten Metallisierungsbahnen 20, 16 und 19, 12 können also unterschiedliche Höhenunterschiede von Leistungsbauelement 10 und diskretem Widerstandsbauelement 21 ausgeglichen werden. Entspricht die Höhe 75 des Leistungsbauelements 10 in etwa der Höhe 72 der ersten strukturierten Metallisierungsbahn 20, 16 und der Höhe 73 der zweiten strukturierten Metallisierungsbahn 19, 12, so sollte die Platte des diskreten Widerstandsbauelements 21 nicht mehr als dreimal so hoch sein wie das Leistungsbauelement 10. Ist das diskrete Widerstandsbauelement 21 dünner als das Leistungsbauelement 10, so kann ein Höhenunterschied durch eine Höhe bzw. Dicke der ersten Steuerleitung 12 und/oder der zweiten Steuerleitung 16 ausgeglichen werden. Bei gleicher Höhe von Leistungsbauelement 10 und diskretem Widerstandsbauelement 21 kann die Höhe der ersten Steuerleitung 12 an die Höhe 73 der zweiten strukturierten Metallisierungsbahn 19, 12 angepasst werden und die Höhe der zweiten Steuerleitung 16 kann an die Höhe 72 der ersten strukturierten Metallisierungsbahn 20, 16 angepasst werden. Bei einer unterschiedlichen Dicke bzw. Höhe von Leistungsbauelement 10 und diskretem Widerstandsbauelement 21 kann die Höhe der ersten Steuerleitung 12 und/oder der zweiten Steuerleitung 16 größer oder kleiner sein als die Höhe 73 der zweiten strukturierten Metallisierungsbahn 19, 12 oder die Höhe 72 der ersten strukturierten Metallisierungsbahn 20, 16.
  • Das diskrete Widerstandsbauelement 21 ist gegenüber herkömmlichen Gate-Widerständen kompatibel zu dieser Art von Aufbautechnik (Sandwich-Aufbau). Besonders vorteilhaft weist das diskrete Widerstandsbauelement 21 eine Dicke bzw. Höhe 74 auf, die der Dicke bzw. Höhe 75 des Leistungsbau elements 10 bzw. des Leistungshalbleiterchips entspricht. Ein Einschleifen des diskreten Widerstandsbauelements 21 in die Steuerleitung bzw. erste Steuerleitung 12 jedes einzelnen Chips oder auch in die gemeinsame Zuleitung zu mehreren steuerseitig hart parallel geschalteten Chips ist damit in der in 6 skizzierten Weise sehr einfach und ohne Modifikation des Höhenprofils der Substratmetallisierung möglich. Das diskrete Widerstandsbauelement 21 kann hierbei montageprozesstechnisch wie ein Leistungshalbleiterchip behandelt werden. Als Fügetechniken zwischen Halbleiter, dem diskreten Widerstandsbauelement und den Substratmetallisierungen bzw. den beiden strukturierten Metallisierungsbahnen 20, 16 und 19, 12 können alle herkömmlichen Verfahren, beispielsweise Löten, Sintern oder Leitkleben zum Einsatz kommen.
  • 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Schnittes durch ein Leistungsmodul gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Leistungsmodul 80 weist entsprechend dem Leistungsmodul 70 aus der Darstellung der 6 einen sandwichartigen Aufbau auf. D. h. ein erstes Substrat 11, auf dem eine erste strukturierte Metallisierungsbahn 20, 16 aufgebracht ist, und über dem ein zweites Substrat 31 höhenversetzt angeordnet ist, auf dem eine zweite strukturierte Metallisierungsbahn 19, 21 aufgebracht ist. Ein Höhenversatz 71 zwischen dem ersten 11 und dem zweiten 31 Substrat sowie Höhen 72, 73 der ersten 20, 16 und zweiten 19, 12 strukturierten Metallisierungsbahnen sind derart dimensioniert, dass das Leistungsbauelemente 10 und das diskrete Widerstandsbauelement 21 zwischen den strukturierten Metallisierungsbahnen 20, 16, 19, 12 des ersten 11 und des zweiten 31 Substrats montiert sind.
  • Im Gegensatz zu dem Leistungsmodul 70 aus der Darstellung der 6 ist das diskrete Widerstandsbauelement 21 der 7 jedoch nicht neben dem Leistungsmodul 10 montiert, sondern auf dem Steueranschluss 42 des Leistungsmoduls 10. Dabei ist das diskrete Widerstandsbauelement 21 derart auf dem Leistungsbauelement 10 montiert, dass die den Steueranschluss 42 darstellende Kontaktfläche 41 des Leistungsbauelements 10 mit der zweiten Kontaktfläche 27 des diskreten Widerstandsbauelements 21 unter Bildung einer Oberflächenverbindung leitfähig verbunden ist. In diesem Ausführungsbeispiel stimmt die zweite Kontaktfläche 27 des diskreten Widerstandsbauelements 21 mit der den Steueranschluss 42 darstellenden Kontaktfläche 41 des Leistungsbauelements 10 überein, so dass eine Höhe des Gesamtaufbaus aus Leistungsbauelement 10 und diskretem Widerstandsbauelement 21 gegenüber einer Summe der Einzelhöhen 75 des Leistungsbauelements 10 und 74 des diskreten Widerstandsbauelements 21 um die Dicke bzw. Höhe der zweiten Kontaktfläche 27 bzw. der Kontaktfläche 41 des Steueranschlusses 42 reduziert ist. Damit ist es möglich, einen noch weiter platzsparenden Aufbau zu realisieren. Die erste Steuerleitung 12, die aus der zweiten strukturierten Metallisierungsbahn 19, 12 geformt ist, wird verwendet, um die erste Kontaktfläche 26 des diskreten Widerstandsbauelements 21 leitfähig zu verbinden, beispielsweise mit einem Gehäuse-Pin eines Gehäuses des Leistungsmoduls 80.
  • Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann eine Höhe der ersten Steuerleitung oder des Abschnitts der ersten Steuerleitung 12, der mit der ersten Kontaktfläche 26 des diskreten Widerstandsbauelements 21 in Verbindung steht, so dimensioniert werden, dass ein Höhenunterschied des diskreten Widerstandsbauelements 21 gegenüber der zweiten strukturierten Metallisierungsbahn 19, 12 ausgeglichen werden kann.
  • Die Darstellung des Ausführungsbeispiels der 7 zeigt gegenüber der Darstellung des Ausführungsbeispiels der 6 eine noch platzsparendere Ausführungsform eines Sandwich-Aufbaus auf. Das diskrete Widerstandsbauelement 21 ist dabei zwischen den Steueranschluss 42 des Leistungshalbleiters 10 und der Metallisierungsbahn bzw. ersten Steuerleitung 12 auf dem zweiten Substrat 31 bzw. dem Oberseitensubstrat eingefügt. Die erste Steuerleitung 12, die als Lei terbahn ausgebildet ist, kann dabei die, im Falle mehrerer parallel geschalteter Leistungshalbleiterchips 10a, 10b, 10c gemeinsame Steuersignalzuleitung bilden. Aufgrund der extrem niedrige parasitären Induktivität des Steuerkreises ist ein Aufbau gemäß dem Ausführungsbeispiel der 7 auch für höchste Schaltfrequenzen hervorragend geeignet.
  • In allen Ausführungsbeispielen (3 bis 7) sind die diskreten Widerstandsbauelemente 21 thermisch hervorragend an das Substrat 11 bzw. an beide Substrate 11 und 31 angekoppelt, so dass auch erhebliche Ansteuerleistungen ohne thermische Probleme möglich sind.
  • 8a zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 80 zum Herstellen eines diskreten Widerstandsbauelements, das den Schritt 81 des Bereitstellens einer Platte aus einem resistiven Volumenmaterial aufweist, wobei die Platte eine Höhe hat, die geringer als eine Dimension der Grundfläche der Platte ist, sowie einer ersten Kontaktfläche auf einer Oberseite der Platte und einer zweiten Kontaktfläche auf einer Unterseite der Platte, wobei sich das resistive Volumenmaterial von einem Material der ersten Kontaktfläche und einem Material der zweiten Kontaktfläche unterscheidet. Das Material der ersten Kontaktfläche kann beispielsweise Aluminium sein und das Material der zweiten Kontaktfläche kann Silber sein, so dass sich das Material der ersten Kontaktfläche für ein Bonden eignet und sich das Material der zweiten Kontaktfläche für ein Löten, Sintern oder Leitkleben eignet. Das Material der ersten Kontaktfläche kann sich von dem Material der zweiten Kontaktfläche unterscheiden, wenn beispielsweise verschiedene Kontaktierungsverfahren verwendet werden. Das resistive Volumenmaterial, das Material der ersten Kontaktfläche und das Material der zweiten Kontaktfläche können so dimensioniert sein, dass ein elektrischer Widerstand des resistiven Volumenmaterials wenigstens fünfmal so groß ist wie ein elektrischer Widerstand des Materials der ersten Kontaktfläche und des Materials der zweiten Kontaktfläche. Ein elektrischer Widerstand des diskreten Widerstandsbauelements kann beispielsweise kleiner als 100 Ohm sein. Das resistive Volumenmaterial kann ein dotiertes einkristallines, polykristallines oder amorphes Halbleitermaterial sein, beispielsweise dotiertes Silizium oder Siliziumcarbid. Es kann Graphit, ein Matrixverbundmaterial, beispielsweise Aluminiumsiliziumcarbid oder Aluminiumgraphit oder ein elektrisch leitfähiges Polymer oder eine elektrisch leitfähige Widerstandspaste sein. Das resistive Volumenmaterial kann ferner so dimensioniert sein, dass ein elektrischer Widerstand des diskreten Widerstandsbauelements nichtlinear ist.
  • 8b zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 85 zum Herstellen eines Leistungsmoduls, das einen ersten Schritt 86 des Platzierens eines Leistungsbauelements mit einem Steueranschluss auf einem Substrat mittels einer Platzierungsvorrichtung und einen zweiten Schritt 87 des Platzierens eines diskreten Widerstandsbauelements auf dem Substrat mittels der (gleichen) Platzierungsvorrichtung aufweist. Das Verfahren 85 kann ferner die zusätzlichen Schritte des Platzierens einer Leiterbahn auf dem Substrat und des Bereitstellens einer elektrischen Verbindung zu dem Steueranschluss des Leistungsbauelements mittels Schalten des diskreten Widerstandsbauelements und der Leiterbahn in Serie zu dem Steueranschluss aufweisen.

Claims (30)

  1. Diskretes Widerstandsbauelement (21), mit folgenden Merkmalen: einer Platte aus einem resistiven Volumenmaterial (25), wobei die Platte eine Höhe (h) hat, die geringer als eine Dimension (l, b) der Grundfläche der Platte ist; einer ersten Kontaktfläche (26) auf einer Oberseite der Platte; und einer zweiten Kontaktfläche (27) auf einer Unterseite der Platte, wobei sich das resistive Volumenmaterial (25) von einem Material der ersten Kontaktfläche (26) und einem Material der zweiten Kontaktfläche (27) unterscheidet.
  2. Diskretes Widerstandsbauelement (21) gemäß Anspruch 1, bei dem sich das Material der ersten Kontaktfläche (26) von dem Material der zweiten Kontaktfläche (27) unterscheidet.
  3. Diskretes Widerstandsbauelement (21) gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das Material der ersten Kontaktfläche (26) Aluminium, Silber, Kupfer, ein Metall, ein elektrisch leitfähiger Kunststoff oder ein elektrisch leitfähiges Polymer ist; bei dem das Material der zweiten Kontaktfläche (27) Aluminium, Silber, Kupfer, ein Metall, ein elektrisch leitfähiger Kunststoff oder ein elektrisch leitfähiges Polymer ist.
  4. Diskretes Widerstandsbauelement (21) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem sich das Material der ersten Kontaktfläche (26) für ein Bonden eignet; und bei dem sich das Material der zweiten Kontaktfläche (27) für ein Löten, Sintern oder Leitkleben eignet.
  5. Diskretes Widerstandsbauelement (21) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das resistive Volumenmaterial (25), das Material der ersten Kontaktfläche (26) und das Material der zweiten Kontaktfläche (27) so dimensioniert sind, dass ein elektrischer Widerstand des resistiven Volumenmaterials (25) wenigstens fünfmal so groß ist wie ein elektrischer Widerstand des Materials der ersten Kontaktfläche (26) und des Materials der zweiten Kontaktfläche (27).
  6. Diskretes Widerstandsbauelement (21) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das resistive Volumenmaterial (25) so dimensioniert ist, dass ein elektrischer Widerstand des diskreten Widerstandsbauelements (21) kleiner als 100 Ohm ist.
  7. Diskretes Widerstandsbauelement (21) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das resistive Volumenmaterial (25) ein dotiertes einkristallines Halbleitermaterial, ein dotiertes polykristallines Halbleitermaterial, ein dotiertes amorphes Halbleitermaterial, dotiertes Silizium, dotiertes Siliziumkarbid, Graphit, ein Matrixverbundmaterial, AlSiC, Al-Graphit, ein elektrisch leitfähiges Polymer oder eine elektrisch leitfähige Widerstandspaste ist.
  8. Diskretes Widerstandsbauelement (21) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das resistive Volumenmaterial (25) so dimensioniert ist, dass ein elektrischer Widerstand des diskreten Widerstandsbauelements (21) nichtlinear ist.
  9. Diskretes Widerstandsbauelement (21) gemäß Anspruch 8, bei dem das resistive Volumenmaterial (25) so dimensioniert ist, dass der elektrische Widerstand des diskreten Widerstandsbauelements (21) unterhalb einer Schwellwertspannung (Vth) einem ersten Widerstand (R1) entspricht und oberhalb der Schwellwertspannung (Vth) einem zweiten Widerstand (R2) entspricht, der sich von dem ersten Widerstand (R1) unterscheidet.
  10. Leistungsmodul (40, 50, 60, 70, 80) mit folgenden Merkmalen: einem Leistungsbauelement (10a) mit einem Steueranschluss (42a); und einem diskreten Widerstandsbauelement (21a, 21) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die erste Kontaktfläche (26a, 26) des diskreten Widerstandsbauelements (21a, 21) mit dem Steueranschluss (42a) des Leistungsbauelements (10a) verbunden ist.
  11. Leistungsmodul (40, 50, 60, 70, 80) gemäß Anspruch 10, bei dem das Leistungsbauelement (10a, 10) eine frei zugängliche Oberfläche (43a) aufweist, auf der eine Kontaktfläche (41a) ausgebildet ist, die den Steueranschluss (42a) des Leistungsbauelements (10a) darstellt.
  12. Leistungsmodul (40, 50, 60) gemäß Anspruch 11, mit einem Substrat (11), auf dem das Leistungsbauelement (10a) angeordnet ist; einer Leiterbahn (16), die auf dem Substrat (11) angeordnet ist, und die mit einer Steuerung verbindbar ist; und einem Bond-Draht (12a), der ausgelegt ist, um das Leistungsbauelement (10a) mit der Leiterbahn (16) zu verbinden.
  13. Leistungsmodul (40, 50, 60) gemäß Anspruch 12, bei dem das Substrat (11) ein Keramiksubstrat ist.
  14. Leistungsmodul (40) gemäß Anspruch 12 oder 13, bei dem die zweite Kontaktfläche (27a) des diskreten Widerstandsbauelements (21a) leitfähig auf der Leiterbahn (16) montiert ist; und bei dem die erste Kontaktfläche (26a) des diskreten Widerstandsbauelements (21a) mittels des Bond-Drahtes (12a) mit der Kontaktfläche (41a) des Leistungsbauelements (10a) leitfähig verbunden ist.
  15. Leistungsmodul (40) gemäß einem der Ansprüche 12–14, mit einem weiteren Leistungsbauelement (10b) mit einem weiteren Steueranschluss (42b); einem weiteren Bond-Draht (12b), der ausgelegt ist, um das weitere Leistungsbauelement (10b) mit der Leiterbahn (16) zu verbinden; und einem weiteren diskreten Widerstandsbauelement (21b) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die zweite Kontaktfläche (27b) leitfähig auf der Leiterbahn (16) montiert ist, und bei dem die erste Kontaktfläche (26b) mittels des weiteren Bond-Drahtes (12b) mit dem weiteren Steueranschluss (42b) leitfähig verbunden ist.
  16. Leistungsmodul (50) gemäß Anspruch 12 oder 13, mit einem außerhalb einer von dem Substrat (11) aufgespannten Ebene verlaufenden Leiter (17), der ausgelegt ist, um einen elektrischen Kontakt zu der Leiterbahn (16) herzustellen, wobei die zweite Kontaktfläche (27) des diskreten Widerstandsbauelements (21) leitfähig auf der Leiterbahn (16) montiert ist; wobei die erste Kontaktfläche (26) des diskreten Widerstandsbauelements (21) leitfähig mit dem Leiter (17) verbunden ist; und wobei der Bond-Draht (12a) ausgelegt ist, um das Leistungsbauelement (10a) mit der Leiterbahn (16) zu verbinden.
  17. Leistungsmodul (50) gemäß Anspruch 16, mit einem weiteren Leistungsbauelement (10b) mit einem weiteren Steueranschluss (42b); und einem weiteren Bond-Draht (12b), der ausgelegt ist, um das weitere Leistungsbauelement (10b) mit der Leiterbahn (16) zu verbinden, wobei die zweite Kontaktfläche (27) des diskreten Widerstandsbauelements (21) über die Leiterbahn (16) und die Bonddrähte (12a, 12b) mit dem Steueranschluss (42a) und dem weiteren Steueranschluss (42b) kurzgeschlossen ist.
  18. Leistungsmodul (60) gemäß Anspruch 12 oder 13, bei dem die zweite Kontaktfläche (27a) des diskreten Widerstandsbauelements (21a) leitfähig auf der den Steuer anschluss (42a) darstellenden Kontaktfläche (41a) des Leistungsbauelements (10a) montiert ist; und bei dem der Bond-Draht (12a) zwischen der ersten Kontaktfläche (26a) des diskreten Widerstandsbauelements (21a) und der Leiterbahn (16) leitfähig angebracht ist.
  19. Leistungsmodul (60) gemäß Anspruch 18, mit einem weiteren Leistungsbauelement (10b) mit einem weiteren Steueranschluss (42b); einem weiteren Bond-Draht (12b), der ausgelegt ist, um das weitere Leistungsbauelement (10b) mit der Leiterbahn (16) zu verbinden; und einem weiteren diskreten Widerstandsbauelement (21b) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die zweite Kontaktfläche (27b) leitfähig mit dem weiteren Steueranschluss (42b) verbunden ist, und bei dem die erste Kontaktfläche (26b) mittels des weiteren Bond-Drahtes (12b) leitfähig mit der Leiterbahn (16) verbunden ist.
  20. Leistungsmodul (40, 60) gemäß Anspruch 15 oder 19, bei dem sich ein elektrischer Widerstand des weiteren diskreten Widerstandsbauelements (21b) von einem elektrischen Widerstand des diskreten Widerstandsbauelements (21a) unterscheidet.
  21. Leistungsmodul (70, 80) gemäß Anspruch 11, mit einem ersten Substrat (11) mit einer Oberseite, auf der eine erste strukturierte Metallisierungsbahn (20, 16) aufgebracht ist; einem zweiten Substrat (31) mit einer Unterseite auf der eine zweite strukturierte Metallisierungsbahn (19, 12) aufgebracht ist, wobei das zweite Substrat (31) höhenversetzt über dem ersten Substrat (11) angeordnet ist, wobei ein Höhenversatz (71) zwischen der Oberseite des ersten Substrats (11) und der Unterseite des zweiten Substrats (31) und Höhen (72, 73) der ersten (20, 16) und zweiten (19, 12) strukturierten Metallisierungsbahnen so dimensioniert sind, dass das Leistungsbauelement (10) und das diskrete Widerstandsbauelement (21) zwischen den strukturierten Metallisierungsbahnen (20, 16, 19, 12) des ersten (11) und des zweiten (31) Substrats montiert sind.
  22. Leistungsmodul (70) gemäß Anspruch 21, bei dem eine erste Steuerleitung (12) aus der zweiten strukturierten Metallisierungsbahn (19, 12) geformt ist, die ausgelegt ist, um die den Steueranschluss darstellende Kontaktfläche (41) des Leistungsbauelements (10) mit der ersten Kontaktfläche (26) des diskreten Widerstandsbauelements (21) zu verbinden; und bei dem eine zweite Steuerleitung (16) aus der ersten strukturierten Metallisierungsbahn (20, 16) geformt ist, die ausgelegt ist, um die zweite Kontaktfläche (27) des diskreten Widerstandsbauelements (21) zu kontaktieren.
  23. Leistungsmodul (80) gemäß Anspruch 21, bei dem das diskrete Widerstandsbauelement (21) auf dem Leistungsbauelement (10) derart montiert ist, dass die den Steueranschluss (42) darstellende Kontaktfläche (41) des Leistungsbauelements (10) mit der zweiten Kontaktfläche (27) des diskreten Widerstandsbauelements (21) leitfähig verbunden ist oder mit der zweiten Kontaktfläche (27) des diskreten Widerstandsbauelements (21) übereinstimmt; und bei dem eine erste Steuerleitung (12) aus der zweiten strukturierten Metallisierungsbahn (19, 12) geformt ist, die ausgelegt ist, um die erste Kontaktfläche (26) des diskreten Widerstandsbauelements (21) leitfähig zu verbinden.
  24. Leistungsmodul (70, 80) gemäß Anspruch 22 oder 23, bei dem die erste Steuerleitung (12) zumindest teilweise eine Höhe aufweist, die dimensioniert ist, um eine Differenz oder eine Summe der Höhen (74, 75) des Leistungsbauelements (10) und des diskreten Widerstandsbauelements (21) auszugleichen.
  25. Leistungsmodul (70, 80) gemäß einem der Ansprüche 10–24, bei dem eine Höhe (74) der Platte des diskreten Widerstandsbauelements (21) einer Höhe (75) des Leistungsbauelements (10) entspricht.
  26. Leistungsmodul (70, 80) gemäß einem der Ansprüche 21–25, bei dem das erste Substrat (11) und/oder das zweite Substrat (31) Keramiksubstrate sind.
  27. Verfahren zum Herstellen eines diskreten Widerstandsbauelements (21), mit folgendem Schritt: Bereitstellen einer Platte aus einem resistiven Volumenmaterial (25), wobei die Platte eine Höhe hat, die geringer als eine Dimension der Grundfläche der Platte ist; einer ersten Kontaktfläche (26) auf einer Oberseite der Platte; und einer zweiten Kontaktfläche (27) auf einer Unterseite der Platte, wobei sich das resistive Volumenmaterial (25) von einem Material der ersten Kontaktfläche (26) und einem Material der zweiten Kontaktfläche (27) unterscheidet.
  28. Verfahren gemäß Anspruch 27, bei dem das Material der ersten Kontaktfläche (26) Aluminium ist; und bei dem das Material der zweiten Kontaktfläche (27) Silber ist.
  29. Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls (40, 50, 60, 70, 80), mit folgenden Schritten: Platzieren eines Leistungsbauelements (10a) mit einem Steueranschluss (42a) auf einem Substrat (11) mittels einer Platzierungsvorrichtung; und Platzieren eines diskreten Widerstandsbauelements (21a) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 auf dem Substrat (11) mittels der Platzierungsvorrichtung.
  30. Verfahren gemäß Anspruch 29, mit folgenden Schritten Platzieren einer Leiterbahn (16) auf dem Substrat (11); und Bereitstellen einer elektrischen Verbindung zu dem Steueranschluss (42) des Leistungsbauelements (10a) mittels Schalten des diskreten Widerstandsbauelements (21a) und der Leiterbahn (16) in Serie zu dem Steueranschluss (42a).
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