DE102010028045A1 - Ein Leistungsschalterbauelement mit verbesserter Temperaturverteilung - Google Patents

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Timm Hoehr
Holger Heinisch
Christian Pluntke
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Abstract

Es wird ein Leistungsschalterbauelement mit einem Halbleiterschalter und einer auf eine Kontaktzone des Halbleiterschalters aufgebrachten Kontaktierung (14) eingeführt. Die Kontaktzone weist dabei eine Halbleiterschicht und eine auf die Halbleiterschicht aufgebrachte Metallisierung (13) auf. Erfindungsgemäß besitzt die Halbleiterschicht wenigstens ein leitendes Gebiet (11) und wenigstens ein direkt unter der Metallisierung (13) angeordnetes nicht leitendes Gebiet (12).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsschalterbauelement mit verbesserter Temperaturverteilung.
  • Stand der Technik
  • Im Stand der Technik sind Leistungsschalterbauelemente zum Schalten von großen Strömen bekannt. Die aufgrund des Stromdurchflusses durch das Leistungsschalterbauelement abfallende Verlustleistung wurde dabei durch die Durchlassverluste des Halbleiterschalters bestimmt. Neueste Generationen von Leistungsschalterbauelementen wie z. B. TrenchMOSFETs weisen hingegen Durchlassverluste auf, die in derselben Größenordnung liegen können wie die elektrischen Verluste der Kontaktierung (z. B. durch Bonddrähte). Damit sind die Kontaktierungsverluste nicht mehr vernachlässigbar. Aus thermischer Sicht bedeutender ist jedoch, dass die Kontaktierungen und etwaige zur Stromleitung herangezogene Gehäuseteile keine Wärmesenken mehr darstellen, sondern selbst eine Wärmequelle sind. Diese Wärmequellen können störende lokale Temperaturerhöhungen des kontaktierten Halbleiterschalters bewirken.
  • Ein weiterer Effekt, der ebenfalls zu einer erhöhten Verlustleistung im Bereich der Kontaktierungszone führt, sind Querleitverluste innerhalb der Metallisierungsschicht des Halbleiterschalters. Neben der Vorwärtspolung besteht bei Leistungsschalterbauelementen mit strukturbedingter Invers- oder Body-Diode auch die Möglichkeit eines hohen Wärmeeintrags durch die stromführenden Kontaktierelemente. Im Automobilbereich ist die Batterieverpolung ein typisches Beispiel für inhomogene Strom- und damit Wärmeverteilung bei negativer Polung.
  • Die genannten Effekte können zu störenden lokalen Temperaturerhöhungen des Halbleiterschalters führen, welche wiederum wenigstens in einigen Betriebszuständen die Stromtragfähigkeit des Leistungsschalterbauelementes begrenzen. Diese Begrenzungen führen in der Praxis dazu, dass größer dimensionierte Schalter vorgesehen werden, was die Kosten einer Anordnung erhöht.
  • Die im Stand der Technik bekannten Abhilfemaßnahmen setzen typischerweise bei der Art der Kontaktierung selbst an wie z. B. durch so genannte CuClip- oder Bändchen-Bond-Techniken. In integrierten Schaltungen (ICs) wird hingegen versucht, die Wärmekapazität des Halbleitermaterials besser zu nutzen. Alle diese Techniken können lokale Temperaturerhöhungen jedoch nicht vollständig verhindern.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird daher ein Leistungsschalterbauelement mit einem Halbleiterschalter und einer auf eine Kontaktzone (oder Kontaktpad) des Halbleiterschalters aufgebrachten Kontaktierung eingeführt. Die Kontaktzone weist dabei eine Halbleiterschicht und eine auf die Halbleiterschicht aufgebrachte Metallisierung auf. Die Halbleiterschicht besitzt wenigstens ein leitendes Gebiet und wenigstens ein direkt unter der Metallisierung angeordnetes nicht leitendes Gebiet.
  • Durch die Platzierung eines oder mehrerer nicht leitender Gebiete direkt unter der Metallisierung der Kontaktzone kann die örtliche Verteilung des von der Halbleiterschicht in die Metallisierung oder entgegengesetzt fließenden Stromes beeinflusst werden, weil dieser Wege um die nicht leitenden Gebiete herum suchen muss. Dadurch wird es möglich, eine Verteilung der durch den Stromfluss entstehenden Wärme zu modellieren. Obgleich durch das Vorsehen des wenigstens einen nicht leitenden Gebietes die Durchlassverluste gegenüber konventionellen Leistungsschalterbauelementen nicht gesenkt werden, können jedoch Temperaturmaxima effektiv gesenkt werden, so dass eine lokale Überhitzung des Halbleitermaterials oder der Kontaktierung verhindert wird.
  • Bevorzugt ist das wenigstens eine nicht leitende Gebiet innerhalb des leitenden Gebietes angeordnet. So kann das leitende Gebiet ringförmig um ein nicht leitendes Gebiet angeordnet sein oder mehrere nicht leitende Gebiete in einer Gitterstruktur umschließen.
  • Der Halbleiterschalter ist vorzugsweise als MOSFET ausgeführt, die Erfindung lässt sich jedoch auch auf andere Arten von Halbleiterschaltern anwenden.
  • Die Metallisierung der Kontaktzone ist bevorzugt eine Source-Metallisierung des Halbleiterschalters. Dort sind die größten Stromdichten und damit lokalen Temperaturerhöhungen zu erwarten, so dass die Erfindung ihre Vorteile am besten entfalten kann.
  • Das wenigstens eine nicht leitende Gebiet kann als MOS-Struktur, Dielektrikum oder als undotiertes beziehungsweise nur teilweise dotiertes Halbleitergebiet ausgebildet sein. Als einem undotierten Halbleitergebiet gleichwirkend angesehen wird bei einer Realisierung des Halbleiterschalters als MOSFET ein dotiertes Gebiet, beidem ein korrespondierendes Gebiet des Gates nicht leitend ausgebildet ist, so dass das dotierte Gebiet trotz einem Anliegen einer geeigneten Gatespannung nicht in Inversion gerät.
  • Bevorzugt ist die Kontaktierung als Bonddraht ausgeführt. Bonddrähte können durch übermäßige lokale Temperaturerhöhungen beschädigt werden oder sich sogar von der Kontaktzone ablösen, so dass die Erfindung hier besonders vorteilhaft angewendet werden kann.
  • Erfindungsgemäß ist es bei Vorhandensein mehrerer nicht leitender Gebiete möglich, die Dichte der nicht leitenden Gebiete innerhalb des leitenden Gebietes dort zu erhöhen, wo besonders hohe Ströme erwartet werden, und hingegen dort abzusenken, wo geringere Ströme erwartet werden. Deshalb weist bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsschalterbauelementes die Halbleiterschicht einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich und in jedem der ersten und zweiten Bereiche wenigstens ein nicht leitendes Gebiet auf, wobei an einer Kontaktfläche der Halbleiterschicht zur Metallisierung in dem ersten Bereich ein erstes Flächenverhältnis von nicht leitenden Gebieten zu dem wenigstens einen leitenden Gebiet höher ist als ein zweites Flächenverhältnis von nicht leitenden Gebieten zu dem wenigstens einen leitenden Gebiet in dem zweiten Bereich. Diese Ausführungsform der Erfindung erlaubt eine detaillierte Modellierung eines gewünschten Stromprofils über die Kontaktzone, so dass eine optimale Verteilung der entstehenden Wärme möglich wird.
  • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen vertikalen Schnitt durch einen Teil eines ersten erfindungsgemäßen Leistungsschalterbauelementes,
  • 2 eine Aufsicht eines zweiten erfindungsgemäßen Leistungsschalterbauelementes, und
  • 3 einen vertikalen Schnitt durch einen Teil eines dritten erfindungsgemäßen Leistungsschalterbauelementes.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt einen vertikalen Schnitt durch einen Teil eines ersten erfindungsgemäßen Leistungsschalterbauelementes. Ein ausschnittsweise gezeigter Halbleiterschalter besitzt eine Kontaktzone, welche vorliegend entlang des Schnittes eine gesamte Seite des Halbleiterschalters einnimmt. Die Kontaktzone weist eine Metallisierung 13 auf, welche auf einer Halbleiterschicht aufgebracht ist, die sich in ein leitendes Gebiet 11 und ein innerhalb des leitenden Gebietes 11 angeordnetes nicht leitendes Gebiet 12 unterteilt. Das nicht leitende Gebiet 12 ist dabei direkt unter der Metallisierung 13 angeordnet, d. h. die Metallisierung 13 wird im Bereich des nicht leitenden Gebietes 12 nicht leitend kontaktiert, so dass ein Stromfluss in die Metallisierung 13 im Bereich des nicht leitenden Gebietes 12 unterbunden wird. Auf der Metallisierung 13 ist im gezeigten Beispiel ein Bonddraht 14 als Kontaktierung aufgebracht. Die Erfindung kann allerdings auch mit anderen Arten von Kontaktierungen vorteilhaft eingesetzt werden.
  • Aufgrund des nicht leitenden Gebietes 12 der Erfindung kann in dessen Bereich kein Strom in die Metallisierung und damit in die Kontaktierung fließen, so dass eine andere Stromverteilung erzwungen wird, als es ohne nicht leitendes Gebiet 12 der Fall wäre. Diese andere Stromverteilung senkt die Stromdichte und somit lokale Temperaturerhöhungen, wodurch resultierende Wärmegradienten abgeschwächt werden.
  • 2 zeigt eine Aufsicht eines zweiten erfindungsgemäßen Leistungsschalterbauelementes. Die Metallisierung 13 nimmt hierbei beinahe die vollständige Oberseite des Leistungsschalterbauelementes ein, welches vorliegend jedoch ohne Kontaktierung dargestellt ist. Neben der Metallisierung 13 ist ein Steuerkontakt 15 vorgesehen, welcher von der Metallisierung 13 isoliert ist und beispielsweise ein Gateanschluss oder ein Basisanschluss sein kann. Gestrichelt dargestellt ist ein unter der Metallisierung 13 liegendes nicht leitendes Gebiet 12, welches wenigstens näherungsweise im Zentrum der Metallisierung 13 angeordnet ist. Die übrigen Bereiche der Metallisierung 13 sind auf einem leitenden Gebiet 11 aufgebracht. Das nicht leitende Gebiet 12 verdrängt wie bereits beschrieben den fließenden Strom in das leitende Gebiet 11 und somit auch die entstehende Wärme in die übrigen Bereiche der Metallisierung 13. Die anfallende Hitze verteilt sich somit vorteilhaft auf einen größeren Bereich, als es ohne nicht leitendes Gebiet 12 der Fall wäre.
  • 3 zeigt einen vertikalen Schnitt durch einen Teil eines dritten erfindungsgemäßen Leistungsschalterbauelementes. Das dritte erfindungsgemäße Leistungsschalterbauelement entspricht im Wesentlichen dem ersten erfindungsgemäßen Leistungsschalterbauelement von 1. Es sind jedoch eine Mehrzahl von nicht leitenden Gebieten 12 vorgesehen, welche entlang einer Kontaktfläche zwischen der Metallisierung 13 und der Halbleiterschicht verteilt angeordnet sind. Dabei sind in einem zentralen Bereich 17 mehr nicht leitende Gebiete 12 vorgesehen als in einem ersten und einem zweiten peripheren Bereich 16-1 und 16-2. Indem das Verhältnis von nicht leitenden Gebieten 12 zu verbleibendem leitenden Gebiet 11 im Bereich 17 höher ist als in den Bereichen 16-1 und 16-2, wird gezielt die Leitfähigkeit im Gebiet 17 herabgesetzt. Dadurch wird ein abhängig von den elektrischen Gegebenheiten im Gesamtaufbau im Bereich 17 auftretender hoher Strom, welcher zu einer lokalen Temperaturerhöhung führen würde, in die peripheren Gebiete 16-1 und 16-2 verdrängt, welche aufgrund des geringeren Anteils von nicht leitenden Gebieten 12 eine höhere Leitfähigkeit aufweisen.
  • Das in 3 gezeigte Beispiel lässt sich auf beliebige geometrische Strukturen erweitern und kann beliebig viele Bereiche mit einer unterschiedlichen Dichte von nicht leitenden Gebieten 12 aufweisen. Ebenso ist es möglich, die Dimensionierung der einzelnen nicht leitenden Gebiete 12 anzupassen, um das Verhältnis von nicht leitenden und leitenden Gebieten in einem Bereich wie gewünscht anzupassen. Selbstredend muss dabei ein Bereich mit besonders niedriger Leitfähigkeit und somit einer hohen Dichte an nicht leitenden Gebieten nicht zwangsläufig in einem zentralen Bereich einer Kontaktzone angeordnet sein.
  • Bei Ausführungen der Erfindung kann ein nicht leitendes Gebiet auch ein Gebiet bezeichnen, dessen Leitfähigkeit niedriger als die eines leitenden Gebietes, jedoch nicht Null ist.

Claims (7)

  1. Ein Leistungsschalterbauelement mit einem Halbleiterschalter und einer auf eine Kontaktzone des Halbleiterschalters aufgebrachten Kontaktierung (14), wobei die Kontaktzone eine Halbleiterschicht und eine auf die Halbleiterschicht aufgebrachte Metallisierung (13) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht wenigstens ein leitendes Gebiet (11) und wenigstens ein direkt unter der Metallisierung (13) angeordnetes nicht leitendes Gebiet (12) besitzt.
  2. Das Leistungsschalterbauelement gemäß Anspruch 1, bei dem das wenigstens eine nicht leitende Gebiet (12) innerhalb des leitenden Gebietes (11) angeordnet ist.
  3. Das Leistungsschalterbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem der Halbleiterschalter als MOSFET ausgeführt ist.
  4. Das Leistungsschalterbauelement gemäß Anspruch 3, bei dem die Metallisierung (13) der Kontaktzone eine Source-Metallisierung des Halbleiterschalters ist.
  5. Das Leistungsschalterbauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das wenigstens eine nicht leitende Gebiet (12) als MOS-Struktur, Dielektrikum, als undotiertes Halbleitergebiet oder als nur teilweise dotiertes Halbleitergebiet ausgebildet ist.
  6. Das Leistungsschalterbauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kontaktierung (13) als Bonddraht (14) ausgeführt ist.
  7. Das Leistungsschalterbauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Halbleiterschicht einen ersten Bereich (17) und einen zweiten Bereich (16-1, 16-2) und in jedem der ersten und zweiten Bereiche wenigstens ein nicht leitendes Gebiet (12) aufweist, wobei an einer Kontaktfläche der Halbleiterschicht zur Metallisierung (13) in dem ersten Bereich (17) ein erstes Flächenverhältnis von nicht leitenden Gebieten (12) zu dem wenigstens einen leitenden Gebiet (11) höher ist als ein zweites Flächenverhältnis von nicht leitenden Gebieten (12) zu dem wenigstens einen leitenden Gebiet (11) in dem zweiten Bereich (16-1, 16-2).
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