DE102010030317B4

DE102010030317B4 - Schaltungsanordnung mit Shuntwiderstand

Info

Publication number: DE102010030317B4
Application number: DE102010030317.8A
Authority: DE
Inventors: Dr. Thoben Markus; Tao Hong
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2010-06-21
Filing date: 2010-06-21
Publication date: 2016-09-01
Anticipated expiration: 2030-06-22
Also published as: US9661752B2; DE102010030317A1; CN102364345B; US20110310568A1; CN102364345A

Abstract

Schaltungsanordnung mit einem bestückten Schaltungsträger (2) umfassend einen flachen Isolationsträger (5), der eine Oberseite (5a) aufweist, sowie eine auf die Oberseite (5a) aufgebrachte, strukturierte Metallisierungsschicht (6); einen ersten Leistungshalbleiterchip (1), der auf einem ersten Abschnitt (61) der Metallisierungsschicht (6) angeordnet ist, und der einen ersten unteren Chip-Lastanschluss (11) aufweist, welcher mit dem ersten Abschnitt (61) elektrisch leitend verbunden ist; einen Shuntwiderstand (3), der auf einem zweiten Abschnitt (62) der Metallisierungsschicht (6) angeordnet ist, und der einen unteren Hauptanschluss (31) aufweist, welcher mit dem zweiten Abschnitt (62) elektrisch leitend verbunden ist; wobei zwischen dem ersten Abschnitt (61) und dem zweiten Abschnitt (62) eine elektrisch leitende Verbindung (4) ausgebildet ist, die eine zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt ausgebildete Engstelle (40) umfasst, welche ein beim Betrieb der Schaltungsanordnung zwischen dem ersten unteren Chip-Lastanschluss (11) und dem unterem Hauptanschluss (31) fließender Strom passieren musswobei der der erste Abschnitt (61) und der zweite Abschnitt (62) Bestandteile eines zusammenhängenden Abschnitts (65) der strukturierten Metallisierungsschicht (6) sind; und wobei der der zusammenhängende Abschnitt (65) an der Engstelle (40) eine Breite (b40) aufweist, die sowohl kleiner ist als die kleinste Breite (b11) des ersten unteren Chip-Lastanschlusses (11), als auch kleiner als die kleinste Breite (b31) des unteren Hauptanschlusses (31), wobei die Breiten (b40, b11, b31) jeweils parallel zur Oberseite (5a) des Isolationsträgers (5) bestimmt werden.

Description

Die Erfindung betrifft die Widerstandsmessung mittels eines Shuntwiderstands. Shuntwiderstände weisen zwei nachfolgend als Hauptanschlüsse bezeichnete Anschlüsse auf, mittels denen ein Widerstandselement mit einem zu messenden Strom in Reihe geschaltet wird. Durch Ermittlung der über dem Widerstandselement abfallenden Spannung kann in Verbindung mit dem bekannten Widerstandswert des Widerstandselements der zwischen den Hauptanschlüssen fließende Laststrom bestimmt werden. Um dabei eine möglichst hohe Messgenauigkeit zu erhalten, ist grundsätzlich eine möglichst hohe Messspannung wünschenswert, was einen hohen Widerstandswert erfordert. Andererseits soll jedoch der Widerstandswert möglichst gering gehalten werden, da die Verlustleistung proportional zum Widerstand des Widerstandselements ansteigt. Abgesehen davon, dass hohe Verlustleistungen allein schon wegen der damit verbundenen Wärmeentwicklung an sich unterwünscht sind, verändert eine solche Wärmeentwicklung auch die Strom-Spannungs-Kennlinie des Widerstandselementes. Somit muss in der Praxis stets ein Mittelweg zwischen einer gerade noch zulässigen Verlustleistung und der erforderlichen Messgenauigkeit gefunden werden. Es lässt sich jedoch nicht immer ein Kompromiss finden, in dem sämtliche konkurrierenden Randbedingungen zufrieden stellend erfüllt sind.
Erschwerend kommt hinzu, dass die bei einer Schaltungsanordnung mit einem Shuntwiderstand zu messenden Ströme, beispielsweise wenn diese in der Leiterebene einer Leiterplatte fließen, hinsichtlich ihrer Stromverteilung über die Leiterebene in Abhängigkeit vom jeweiligen Schaltungszustand variieren können, so dass das Ergebnis einer Strommessung stark von der Stromverteilung im jeweiligen Schaltungszustand der Schaltungsanordnung abhängt. So wurden bei Schaltungsanordnungen in Leistungshalbleitermodulen mit einer Brückenschaltung von der Stromrichtung abhängige Abweichungen des gemessenen Stromwertes vom tatsächlichen Stromwert von bis zu 2% ermittelt. Wünschenswert wäre es jedoch, Abweichungen von 1% oder weniger zu erreichen.
Bei der Fertigung mehrerer identischer Schaltungsanordnungen, die insbesondere Baugruppen zur Strommessung mit einem Shuntwiderstand aufweisen, können ebenfalls Messungenauigkeiten auftreten. Im Idealfall werden die Abgriffe, mit denen die über dem Shuntwiderstand abfallende Spannung abgegriffen wird, bei den verschiedenen Schaltungsanordnungen exakt an entsprechend gleichen Stellen angebracht. In der Praxis ergeben sich jedoch aufgrund unvermeidlicher Fertigungstoleranzen Abweichungen vom Idealfall, so dass bei den verschiedenen Schaltungsanordnungen der sinngemäß jeweils gleiche Potentialangriff bei sonst gleichem Aufbau und gleichen Bestromungsverhältnissen der verschiedenen Schaltungsanordnungen unterschiedliche Potentiale abgegriffen werden.
Weiterhin weisen herkömmliche Shuntwiderstände typischer Weise zwei Hauptanschlüsse auf, die beide über die Metallisierung eines Schaltungsträgers gelötet sind. Ein solcher Aufbau erfordert viel Platz auf dem Schaltungsträger, was sich in den Kosten niederschlägt. Dies ist vor allem dann relevant, wenn als Schaltungsträger ein teueres Keramiksubstrat verwendet wird. Außerdem erfordert die Montage eines solchen Shuntwiderstandes auf dem Schaltungsträger eine eigene Prozesstechnologie, was den Fertigungsaufwand und die Herstellungskosten ebenfalls erhöht. Außerdem erfordern diese Shuntwiderstände aufgrund ihrer Bauweise eine längere Bestromungsstrecke, wodurch sich die Induktivität signifikant erhöht. Hierdurch kann es jedoch insbesondere bei schnellen Schaltvorgängen zu hohen Induktionsspannungen kommen, durch die die das am Shuntwiderstand abgegriffene Mess-Signal verfälscht werden kann.
Die DE 10 2008 035 993 A1 und die DE 102 30 156 A1 beschreiben jeweils Leistungshalbleitermodule mit einer Anordnung, bei der ein Leistungshalbleiter und ein in dessen Laststromkreis geschalteter Shunt auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind. Aus der DE 102 30 156 A1 geht außerdem hervor, dass ein Leistungshalbleitermodul auch mehrere derartiger Anordnungen umfassen kann.
Aus der US 2003/0 038 706 A1 ist es bekannt, in einer oberseitigen Metallisierung eines Shuntwiderstandes, an die mehrere Bonddrähte gebondet sind, eine Engstelle vorzusehen, die eine Homogenisierung des Stromflusses in der Metallisierung bewirkt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung mit einem Shuntwiderstand bereitzustellen, die eine präzise Strommessung mit dem Shuntwiderstand ermöglicht, bei der der Shuntwiderstand möglichst wenig Platz beansprucht und die mit wenig Aufwand zu fertigen ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Leistungshalbleitermodul mit einer derartigen Schaltungsanordnung bereitzustellen. Diese Aufgaben werden durch eine Schaltungsanordnung gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch ein Leistungshalbleitermodul gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Die vorliegende Erfindung sieht eine Schaltungsanordnung mit einem bestückten Schaltungsträger vor, der einen flachen Isolationsträger mit einer Oberseite aufweist und eine auf die Oberseite aufgebrachte, strukturierte Metallisierungsschicht. Außerdem umfasst die Schaltungsanordnung einen ersten Leistungshalbleiterchip, der auf einem ersten Abschnitt der Metallisierungsschicht angeordnet ist, und der einen ersten unteren Chip-Lastanschluss aufweist, welcher mit dem ersten Abschnitt elektrisch leitend verbunden ist. Weiterhin ist ein Shuntwiderstand vorgesehen, der auf einem zweiten Abschnitt der Metallisierungsschicht angeordnet ist und der einen unteren Hauptanschluss aufweist, welcher mit dem zweiten Abschnitt elektrisch leitend verbunden ist. Der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt sind Bestandteile eines zusammenhängenden Abschnitts der strukturierten Metallisierungsschicht. Zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt ist eine elektrisch leitende Verbindung ausgebildet, die eine zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt ausgebildete Engstelle umfasst, welche ein beim Betrieb der Schaltungsanordnung zwischen dem ersten unteren Chip-Lastanschluss und dem ersten Hauptanschluss des Shuntwiderstands fließender Strom passieren muss. An der Engstelle weist der zusammenhängende Abschnitt eine Breite auf, die sowohl kleiner ist als die kleinste Breite des ersten unteren Chip-Lastanschlusses, als auch kleiner als die kleinste Breite des unteren Hauptanschlusses. Hierbei werden die Breiten jeweils parallel zur Oberseite des Isolationsträgers bestimmt. Mit einem oder mehreren derartigen Schaltungsträgern lässt sich ein Leistungshalbleitermodul realisieren.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Figuren anhand von mehreren Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:
1 ein Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung mit einem Shuntwiderstand, die verschiedene Schaltzustände einnehmen kann, in denen der Shuntwiderstand in unterschiedlichen Richtungen von Strom durchflossen wird;
2A einen Schaltungsträger mit einer strukturierten Metallisierungsschicht, die zwei über eine Engstelle der Metallisierungsschicht elektrisch leitend miteinander verbundene Abschnitte aufweist, von denen einer mit einem Leistungshalbleiterchip und der andere mit einem Shuntwiderstand bestückt wird;
2B eine Schaltungsanordnung mit dem in 2A gezeigten Schaltungsträger nach dessen Bestückung mit zwei Leistungshalbleiterchips und einem Shuntwiderstand;
2C einen Vertikalschnitt durch den in 2B gezeigten, bestückten Schaltungsträger in einer Schnittebene E1;
2D den unbestückten Schaltungsträger gemäß 2A in einer Darstellung, aus der ersichtlich wird, dass die Engstelle den Strom, der in der Metallisierungsschicht zwischen deren über die Engstelle miteinander verbundenen Abschnitte fließt, kanalisiert und dadurch für eine vom Schaltungszustand weitestgehend unabhängige Stromverteilung im Bereich des Shuntwiderstands sorgt;
3 den unbestückten Schaltungsträger gemäß den 2A und 2D, bei dem sich die zur Montage des Shuntwiderstands vorgesehene Montagefläche an einer anderen Position befindet als bei den Schaltungsträgern gemäß den 2A und 2D;
4 einen weiteren Schaltungsträger, der sich von den Schaltungsträgern gemäß den 2A, 2D und 3 von einer anderen Lage der Engstelle unterscheidet;
5 einen unbestückten Schaltungsträger, der identisch ist mit dem Schaltungsträger gemäß 4, bei dem jedoch eine andere Position zur Montage des Shuntwiderstands vorgesehen ist;
6 einen unbestückten Schaltungsträger, bei dem die Montagefläche für den Shuntwiderstand von einem Schlitz umgeben ist, der diese Montagefläche mit Ausnahme der Engstelle vollständig umschließt;
7 einen unbestückten Schaltungsträger, der sich von dem unbestückten Schaltungsträger gemäß 6 dadurch unterscheidet, dass auf einem zusammenhängenden Abschnitt der Metallisierungsschicht Montageflächen zur Montage von zwei Leistungshalbleiterchips vorgesehen sind;
8 einen unbestückten Schaltungsträger, bei dem der Abschnitt der Metallisierung, auf dem der Shuntwiderstand angeordnet werden soll, durch zwei aufeinander zulaufende, längliche Schlitze, zwischen deren Enden die Engstelle ausgebildet ist, gegenüber einem anderen Abschnitt der Metallisierungsschicht, auf dem Montageflächen für zwei Leistungshalbleiterchips vorgesehen sind, separiert ist;
9 einen unbestückten Schaltungsträger, bei dem sich die Engstelle zwischen einem Ende eines länglichen Schlitz in der oberen Metallisierung und einem seitlichen Rand des zusammenhängenden Abschnitts befindet;
10 einen bestückten Schaltungsträger, bei dem der Shuntwiderstand zwischen zwei Leistungshalbleiterchips angeordnet ist, von denen jeder über eine Engstelle der Metallisierungsschicht mit dem Shuntwiderstand verbunden ist;
11A den bestückten Schaltungsträger gemäß den 2A und 2D nach dessen Bestückung mit einem Shuntwiderstand und zwei Leistungshalbleiterchips, wobei die Engstelle zur Verringerung des elektrischen Widerstandes mit Hilfe von Bonddrähten überbrückt ist;
11B eine vergrößerte Darstellung der Engstelle mit den sie überbrückenden Bonddrähten;
11C einen Vertikalschnitt durch den bestückten Schaltungsträger im Bereich der Engstelle in einer in den 11A und 11B dargestellten Schnittebene E2;
12A eine alternative Ausgestaltung der Anordnung gemäß den 11A bis 11C, bei der die Überbrückung der Engstelle mittels eines Lotes erfolgt;
12B einen Vertikalschnitt durch die Schaltungsanordnung gemäß 12A in einer Schnittebene E3;
13A eine alternative Ausgestaltung der Anordnung gemäß den 11A bis 11C, bei der die Überbrückung durch ein die Engstelle hinweg gelötetes Metallplättchen überbrückt wird;
13B einen Vertikalschnitt durch die Schaltungsanordnung gemäß 13A in einer Schnittebene E4;
14 eine Draufsicht auf ein Leistungshalbleitermodul, das drei Schaltungsanordnungen aufweist, von denen jede mit einer Halbbrücke bestückt ist, wobei das Layout der Metallisierung bei den drei Schaltungsträgern identisch ist, wobei sich jedoch jeweils ein Shuntwiderstand an unterschiedlichen Positionen auf dem entsprechenden Layout befindet; und
15 eine Draufsicht auf ein anderes Leistungshalbleitermodul, das als Umrichtermodul ausgebildet ist und das drei Schaltungsanordnungen aufweist, von denen jeweils die ersten, die zweiten und die dritten Abschnitte der oberen Metallisierung identisch ausgebildet sind, und wobei jeweils der zweite Abschnitt mit einem Shuntwiderstand bestückt ist, der sich bei den drei Schaltungsanordnungen an unterschiedlichen Positionen auf dem zweiten Abschnitt befindet.
Sofern nicht anders angegeben, bezeichnen gleiche Bezugzeichen gleiche Elemente mit gleicher Funktion.
1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung mit einem Shuntwiderstand, die verschiedene Schaltzustände annehmen kann, am Beispiel einer Halbbrücke, wie sie beispielsweise bei Umrichtern eingesetzt wird. Die Halbbrücke umfast zwei elektrisch in Reihe geschaltete Schaltelemente 1 und 2, bei denen es sich beispielsweise um steuerbare Leistungshalbleiterschalter wie MOSFETs, IGBTs, J-FETs, Thyristoren, Dioden oder beliebige andere Schaltelemente handeln kann. Am Schaltungsknoten K zwischen den in Reihe geschalteten Schaltelementen 1 und 2 stellt die Halbbrücke ein elektrisches Potential zum Betrieb einer an einen Phasenausgang P anzuschließenden Last bereit. Dieses Potential hängt insbesondere von den Schaltzuständen der Schaltelemente 1 und 2 ab. Die Halbbrücke mit den Schaltelementen 1 und 2 wird mit einem positiven Versorgungspotential V+ und mit einem negativen Potential V– versorgt. Im Normalbetrieb derartiger Halbbrücken ist immer höchstens eines der Schaltelemente 1 und 2 geschlossen, um einen Kurzschluss zu vermeiden, d. h. wenn eines der Schaltelemente 1, 2 geschlossen ist, ist das andere Schaltelement 2, 1 geöffnet.
Zur Messung des Laststromes ist ein Shuntwiderstand 3 vorgesehen, der einerseits an den Schaltungsknoten K und andererseits an den Phasenanschluss P angeschlossen ist. Zur Ermittlung der an dem Shuntwiderstand 3 abfallenden Spannung sind außerdem ein erster Potentialanschluss V31 und zweiter Potentialanschluss V32 vorgesehen.
Bei geschlossenem ersten Schaltelement 1 und geöffnetem zweiten Schaltelement 2 liegt am Schaltungsknoten K das Potential V+ an, was zwischen dem Schaltungsknoten K und dem Phasenanschluss P einen Strom I1 bewirkt, der vom Schaltungsknoten K in Richtung des Phasenanschlusses P gerichtet ist. Bei geöffnetem Schaltelement 1 und geschlossenem Schaltelement 2 hingegen liegt am Schaltungsknoten K das Potential V– an, was einen Strom I2 zur Folge hat, der vom Phasenanschluss P zum Schaltungsknoten K gerichtet ist. Der Strom I2 ist damit dem Strom I1 entgegengerichtet.
In Abhängigkeit von der Geometrie des Schaltungslayouts hängt die Stromverteilung von der Richtung des jeweiligen Stromes I1 bzw. I2 ab, so dass der Betrag des Spannungsabfalls über dem Shuntwiderstand 3, d. h. der Betrag der Potentialdifferenz zwischen dem ersten Potentialanschluss V31 und dem zweiten Potentialanschluss V32, für die Ströme I1 und I2 unterschiedlich sein kann, selbst wenn deren Beträge identisch sind.
Die stromrichtungsabhängige Abweichung des Spannungsabfalls über dem Shuntwiderstand ist vor allem dann ausgeprägt, wenn die Schaltung auf einer Leiterplatte mit großflächigen Leiterbahnen aufgebaut ist, die eine stromrichtungsabhängig unterschiedliche Verteilung der Beträge der Ströme zulassen. Um bei einer Strommessung mit einem Shuntwiderstand 3 die Messge4nauigkeit zu erhöhen, ist für eine Schaltung, wie sie beispielhaft in den 2A bis 2D gezeigt ist, eine Schaltungsanordnung dargestellt, mit der sich die stromrichtungsabhängige Messungenauigkeit bei der Erfassung des Stromes durch den Shuntwiderstand verringern lässt.
2A zeigt in Draufsicht einen unbestückten Schaltungsträger 8, der einen dielektrischen Isolationsträger 5 mit einer Oberseite 5a aufweist, auf die eine obere, strukturierte Metallisierungsschicht 6 aufgebracht ist. Der Schaltungsträger 8 bildet somit eine Leiterplatte. Die obere Metallisierungsschicht 6 weist einen ersten Abschnitt 61, einen zweiten Abschnitt 62 und einen dritten Abschnitt 63 auf. Die Abschnitte 61 und 62 sind mittels einer elektrisch leitenden Verbindung 4 miteinander verbunden. Bei dem gezeigten Beispiel ist die elektrische Verbindung 4 innerhalb der oberen Metallisierungsschicht 6 realisiert, so dass die Abschnitte 61 und 62 Bestandteile eines zusammenhängenden Abschnittes 65 der oberen Metallisierungsschicht 6 bilden.
Die elektrisch leitende Verbindung 4 verläuft bei diesem Beispiel vollständig auf Höhe der der leitenden Verbindung 4 zugewandten Seite des Shuntwiderstandes 3. Anders ausgedrückt befindet sich der Shuntwiderstand 3 zwischen den beiden Verlängerungen der lateralen Seiten des Shuntwiderstandes 3, die sich an die (ebenfalls laterale), der Engstelle 40 zugewandte Seite des Shuntwiderstandes 3 anschließen.
Auf den Abschnitten 61, 62, 63 sind – gestrichelt dargestellt – Montageflächen 11', 13' bzw. 12' gekennzeichnet. Die Montageflächen 11' und 12' sind, wie in Verbindung mit 2B ersichtlich ist, dazu vorgesehen, dass auf ihnen ein erster Leistungshalbleiterchip 1 bzw. ein zweiter Leistungshalbleiterchip 2 montiert werden. Entsprechend ist die dritte Montagefläche 13' zur Montage eines Shuntwiderstandes 3 vorgesehen. Die elektrisch leitende Verbindung 4 ist nun so ausgestaltet, dass sie eine Engstelle 40 zwischen den Abschnitten 61 und 62 des zusammenhängenden Abschnitts 65 bildet. Aufgrund dieser Engstelle 40 muss ein elektrischer Strom zwischen einem auf der Montagefläche 11' montierten ersten Leistungshalbleiterchip 1 und einem auf der dritten Montagefläche 13' montierten Shuntwiderstand 3 zwingend die elektrische leitende Verbindung 4 an der Engstelle 40 passieren, und zwar unabhängig von der Stromrichtung. Somit ist die Potentialanbindung des Shuntwiderstandes 3 und damit einhergehend die Stromverteilung innerhalb des zweiten Abschnitts 62 im Vergleich zu herkömmlichen Schaltungsanordnungen in einem wesentlich geringeren Maße von der Stromrichtung abhängig als bei entsprechenden herkömmlichen Anordnungen ohne derartige Engstelle. Die Engstelle 40 kann eine minimale Breite b40 aufweisen, die beispielsweise im Bereich von weniger als 90% der Länge l3 des Shuntwiderstandes 3 liegen kann. Die Länge l3 des Shuntwiderstandes 3 und dessen Breite b3 werden jeweils parallel zur Oberseite 5a des Isolationsträgers 5 und in zueinander senkrechten Richtungen gemessen, wobei die Länge l3 größer ist als die Breite b3. Optional kann die Breite b40 größer als 650 μm gewählt werden, um eine gewisse Mindeststromtragfähigkeit zu erreichen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Breite b40 der Engstelle 40 sowohl kleiner gewählt werden als die kleinste Breite b11 des ersten unteren Chip-Lastanschlusses 11, als auch kleiner als die kleinste Breite b31 des unteren Hauptanschlusses 31, wobei die Breiten b40, b11 und b31 jeweils parallel zur Oberseite 5a des Isolationsträgers 5 bestimmt werden.
2B zeigt den in 2A dargestellten Schaltungsträger 8 nach dessen Bestückung mit einem ersten Leistungshalbleiterchip 1 auf der ersten Montagefläche 11', einen optionalen zweiten Leistungshalbleiterchip 2 auf der zweiten Montagefläche 12', sowie einen Shuntwiderstand 3 auf der dritten Montagefläche 13'.
Außerdem ist die Schaltung mit Bonddrähten 81, 82, 83, 85, 86 schaltungsgerecht verdrahtet. Die Bonddrähte 81 sind elektrisch parallel geschaltet und an einem Phasenanschluss P angeschlossen, wie in 1 gezeigt ist. Die Bonddrähte 82 dienen dazu, die Laststrecken der Leistungshalbleiterchips 1 und 2 zu einer Halbbrücke in Reihe zu schalten und die Halbbrücke an ein positives Versorgungspotential V+ bzw. an ein negatives Versorgungspotential V– entsprechend des Schaltbildes gemäß 1 anzuschließen. Die Bonddrähte 83 sind jeweils mit einem nicht im Detail dargestellten Steueranschluss des ersten bzw. zweiten Leistungshalbleiterchips 1 bzw. 2 verbunden.
Weiterhin sind noch Bonddrähte 85, 86 vorgesehen, die dazu dienen, eine an dem Shuntwiderstand 3 abfallende Potentialdifferenz zu ermitteln und dazu wie in 1 gezeigt elektrische Potentiale V31 bzw. V32 abzugreifen. Aus dieser Potentialdifferenz lassen sich die Stärke und die Richtung des den Shuntwiderstand 3 durchfließenden Stromes I1, I2 ermitteln. Hierzu ist der Bonddraht 85 in der Nähe des Shuntwiderstandes 3 neben die Montagefläche 13' an den zweiten Abschnitt 62 gebondet. Der andere Bonddraht 86 hingegen ist an die obere Metallisierung 32 des Shuntwiderstandes 3 gebondet.
Wie in den 2A und 2B deutlich zu erkennen ist, kann die Engstelle 40 zwischen den Enden zweier aufeinander zulaufender Schlitze 51 bzw. 52 erzeugt werden, welche in die obere Metallisierungsschicht 6 eingebracht sind diese in vertikaler Richtung, d. h. senkrecht zur Oberseite 5a des Isolationsträgers 5, vollständig durchtrennen.
2C zeigt einen Vertikalschnitt durch die Anordnung gemäß 2B in einer Schnittebene E1. In dieser Schnittansicht ist zu erkennen, dass der Schaltungsträger 8 ergänzend zu der oberen Metallisierungsschicht 6 noch eine optionale, auf die Unterseite 5b des Isolationsträgers 5 aufgebrachte untere Metallisierungsschicht 7 aufweisen kann. Diese untere Metallisierungsschicht 7 kann wahlweise strukturiert oder unstrukturiert sein.
Die obere Metallisierungsschicht 6 und die optionale untere Metallisierungsschicht 7 sind fest mit der Oberseite 5a bzw. der Unterseite 5b des Isolationsträgers 5 verbunden. Bei dem Isolationsträger 5 kann es sich z. B. um eine Keramik handeln. Als Keramikmaterialien hierfür eignen sich beispielsweise Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumoxid (Al2O3), Siliziumnitrid (Si3N4), Siliziumkarbid (SiC), oder Berylliumoxid (BeO).
Die obere Metallisierungsschicht 6 und die optionale untere Metallisierungsschicht 7 können ganz oder zumindest überwiegend aus Kupfer oder aus Aluminium bestehen. Bei dem Schaltungsträger 8 kann es sich beispielsweise um ein DCB-Substrat (DCB = Direct Copper Bonding), um ein AMB-Substrat (AMB = Active Metal Brazing) oder um ein DAB-Substrat (DAB = Direct Aluminum Bonding) handeln. Optional können die Metallisierungsschichten 6 und/oder 7 noch dünn mit einem oder mehreren der Materialien Silber, NiAu, NiPd, NiPdAu beschichtet werden, um lötfähige Oberflächen herzustellen oder die Verbindung der Chips mittels einer Niedertemperaturdrucksinterverbindungstechnik zu erleichtern.
Bei dem ersten Leistungshalbleiterchip 1 handelt es sich um ein vertikales Leistungshalbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper 10, welcher mit einem unteren Lastanschluss 11 und mit einem oberen Lastanschluss 12 versehen ist. Über die Lastanschlüsse 11, 12 fließt der Laststrom des ersten Leistungshalbleiterchips 1. Bei den Lastanschlüssen 11, 12 kann es sich beispielsweise um Drain/Source, Emitter/Kollektor oder um Anode/Kathode handeln.
Um den unteren Lastanschluss 11 elektrisch leitend mit der zugehörigen Montagefläche 11' (siehe 2A) zu verbinden, ist eine Lotschicht 15 vorgesehen. Entsprechend weist der in 2C verdeckte zweite Leistungshalbleiterchip 2 einen Halbleiterkörper 20 auf, der mit einem unteren Lastanschluss 21 und mit einem oberen Lastanschluss 22 versehen ist. Auch hier ist der untere Lastanschluss 21 mit einer Lotschicht 25 mit der zugehörigen Montagefläche 12' verbunden.
Der Shuntwiderstand 3 ist ebenfalls als vertikales Bauelement ausgebildet und weist einen dotierten Halbleiterkörper 30 auf, der das Widerstandselement des Shuntwiderstands 3 darstellt. Der Halbleiterkörper 30 kann beispielsweise aus dem Grundmaterial Silizium, aber auch aus jedem beliebigen anderen Halbleitermaterial wie beispielsweise Siliziumkarbid, Germanium, Galliumarsenid usw. hergestellt sein. Grundsätzlich kann jedoch auch jedes beliebige andere Material zur Herstellung des Widerstandselementes 30 verwendet werden.
Zwar ist die Widerstandskennlinie von Halbleitermaterial temperaturabhängig, allerdings weisen beispielsweise Leistungshalbleitermodule in vielen Fällen ohnehin eine Temperaturmessung beispielsweise mit einem NTC-Widerstandssensor, beispielsweise einem Siliziumtemperatursensor, auf, so dass eine Temperaturdrift bei der Widerstandsmessung ohne weiteres kompensiert werden kann.
Der Shuntwiderstand 3 weist außerdem auf der dem Schaltungsträger 8 zugewandten Unterseite des Widerstandselementes 30 einen unteren Hauptanschluss 31 auf, sowie einen oberen Hauptanschluss 32, der sich auf der dem Schaltungsträger 8 abgewandten Oberseite des Halbleiterkörpers 30 befindet. Der untere Hauptanschluss 31 ist mittels eines Lotes 35 mit der zugehörigen Montagefläche 13' elektrisch leitend verbunden.
Ein solcher Shuntwiderstand 3 besitzt also ebenso wie die Leistungshalbleiterchips 1, 2 jeweils einen oberen und einen unteren Anschluss, sowie einen Halbleiterkörper. Dies hat den Vorteil, dass der Shuntwiderstand 3 mit derselben Prozesstechnologie und in demselben Bestückungsschritt auf dem Schaltungsträger 8 montiert und verschaltet werden kann wie die Leistungshalbleiterchips 1, 2. Im Unterschied zu herkömmlichen Shuntwiderständen, welche mit einer herkömmlichen Technologie wie beispielsweise durch einfaches Löten mit dem Schaltungsträger 8 verbunden sind, sind die erläuterten Shuntwiderstände 3 kompatibel mit modernen Prozesstechnologien, die hohe Temperaturen erfordern wie beispielsweise Diffusionslöten oder Niedertemperaturdrucksintern (NTV; engl: LTJT).
Bei den Lastanschlüssen 11, 12, 21, 22 der Leistungshalbleiterchips 1, 2 sowie bei den Hauptanschlüssen 31, 32 des Shuntwiderstandes 3 kann es sich um Metallisierungen des jeweiligen Halbleiterkörpers 10, 20 bzw. 30 handeln. Anstelle der Lotschichten 15, 25 bzw. 35 können auch beliebige andere elektrisch leitende Verbindungsmittel wie beispielsweise ein elektrisch leitender Kleber eingesetzt werden, oder Drucksinterschichten, welche mit einer ein Silberpulver und ein Lösungsmittel enthaltenden Paste hergestellt wurden.
2D zeigt nochmals den unbestückten Schaltungsträger 8 aus den 2A bis 2C in Draufsicht. Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung sind die Position und die Breite b40, welche die Engstelle 40 aufweist, so gewählt, dass zu jedem der Schlitze 51, 52, zwischen deren Enden die Engstelle 40 ausgebildet ist, eine Gerade g1 bzw. g2 existiert, die sich von der Montagefläche 11' bzw. 12' zu der Montagefläche 13' erstreckt und die den ersten bzw. zweiten Schlitz 51 bzw. 52 schneidet.
3 zeigt in Draufsicht einen anderen Schaltungsträger 8, der sich von dem Schaltungsträger 8 gemäß den 2A bis 2D durch die Lage der Engstelle 40 und damit durch die Lage der elektrisch leitenden Verbindung 4 zwischen den Abschnitten 61 und 62 unterscheidet, sowie durch die Position der Montagefläche 13' auf dem zweiten Abschnitt 62. Bei diesem Layout lässt sich keine Gerade festlegen, die sich von der ersten Montagefläche 11' zu der Montagefläche 13' erstreckt und dabei die Engstelle 40 schneidet. Die Montagefläche 13' befindet sich also von der Montagefläche 11' aus gesehen quasi ”im toten Winkel”.
Die in den 4 und 5 gezeigten Schaltungsträger 8 weisen die gleiche Strukturierung der oberen Metallisierungsschicht 6 auf. Sie unterscheiden sich lediglich durch die Position der Montagefläche 13' auf dem zweiten Abschnitt 62. Es hat sich herausgestellt, dass aufgrund einer Engstelle 40, wie sie die vorliegende Erfindung vorsieht, der von der Stromflussrichtung abhängige Messfehler bei der Ermittlung des Widerstandswerts des Shuntwiderstands 3 weitgehend unabhängig von der Position von dessen Montagefläche 13' auf dem Abschnitt 62 der oberen Metallisierungsschicht 6 ist.
Bei der Anordnung gemäß 5 erstreckt sich der Schlitz 51 über die volle Länge der dem Schlitz 51 zugewandten lateralen Seitenfläche des Shuntwiderstandes 3. Entsprechendes gilt bei der Anordnung gemäß 6 in Bezug auf den Schlitz 52.
Bei dem in 6 gezeigten Beispiel ist die Montagefläche 13' zur Montage des Shuntwiderstandes 3 auf vier Seiten ringförmig von einem Schlitz 51 umgeben, der mit Ausnahme der Engstelle 40 einen geschlossenen Ring um die Montagefläche 13' bildet.
Bei allen bisher gezeigten Layouts ist die dritte Montagefläche 63, welche zur Montage eines optionalen zweiten Leistungshalbleiterchips 2 vorgesehen ist, von dem zusammenhängenden Abschnitt 65 und damit von dessen Abschnitten 61 und 62 beabstandet. Dies ist, wie beispielhaft in 7 gezeigt, jedoch nicht zwingend erforderlich. Bei diesem Beispiel sind beide Montageflächen 11' und 12' für den ersten bzw. zweiten Leistungshalbleiterchip 1 bzw. 2 auf dem ersten Abschnitt 61 der Metallisierungsschicht 6 vorgesehen. Auch bei diesem Beispiel ist die Montagefläche 13' von einem Schlitz 51 umgeben, der die Metallisierungsschicht 6 in einer zur Oberseite 5a des Isolationsträgers 5 senkrechten vertikalen Richtung über seine gesamte Länge vollständig durchtrennt, und der, abgesehen von der Engstelle 40, die Montagefläche 13' ringförmig umschließt.
In den 8 und 9 sind weitere Ausgestaltungen gezeigt, in denen die Montageflächen 11' und 12' zur Montage des ersten bzw. zweiten Leistungshalbleiterchips 1 bzw. 2 auf demselben Abschnitt 61 der oberen Metallisierungsschicht 6 angeordnet sind, während sich die zur Montage eines Shuntwiderstands 3 vorgesehene Montagefläche 13' auf einem zweiten Abschnitt 62 der oberen Metallisierungsschicht 6 befindet, die mit dem ersten Abschnitt 61 lediglich über die elektrisch leitende Verbindung 4 an der Engstelle 40 verbunden ist. Bei den Layouts gemäß den 8 und 9 befinden sich die Montageflächen 11', 12', 13' relativ zueinander an den gleichen Positionen. Der Unterschied zwischen den beiden Anordnungen besteht lediglich darin, dass sich die Engstelle 40 an unterschiedlichen Positionen befindet, und dass sie bei der Anordnung gemäß 8 zwischen den Enden zweier aufeinander zulaufender Schlitze 51 und 52 in der oberen Metallisierungsschicht 6 gebildet ist, während sie sich bei der Anordnung gemäß 9 zwischen dem Ende eines Schlitzes 51 in der oberen Metallisierungsschicht 6 und einer Seitenkante des zusammenhängenden Abschnitts 65 befindet.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist in 10 gezeigt. Hier ist der Shuntwiderstand 3 zwischen zwei Leistungshalbleiterchips 1 und 2 auf einer Montagefläche 13' eines zweiten Abschnitts 62 der oberen Metallisierungsschicht 6 angeordnet. Dieser zweite Abschnitt 62 ist lediglich mittels zweier Engstellen 40 und 40' mit einem ersten Abschnitt 61 der oberen Metallisierungsschicht 6 verbunden. Die Montageflächen 11' und 12' für den ersten bzw. zweiten Leistungshalbleiterchip 1 bzw. 2 befinden sich jeweils auf dem ersten Abschnitt 61, so dass sich die erste Engstelle 40 zwischen den Montageflächen 12' und 13' befindet, die zweite Engstelle 40' hingegen zwischen den Montageflächen 11' und 13'.
Ein Aspekt der vorliegenden Anmeldung besteht darin, die Stromverteilung dadurch genau zu definieren, dass der Strom auf einem bestimmten, möglichst engen Bereich konzentriert wird. Um gleichwohl im Bereich der Engstelle einen ausreichend geringen Leitungswiderstand zu erreichen, kann es optional vorgesehen sein, über die Engstelle 40 hinweg den Leitungswiderstand durch Aufbringen von einem oder mehreren Bonddrähten 88 oder flachen Bondbändchen (letztere sind nicht dargestellt), welche sich über die Engstelle 40 hinweg erstrecken und welche jeweils zu beiden Seiten der Engstelle 4 elektrisch leitend mit dem zusammenhängenden Abschnitt 65 verbunden sind. Ein Beispiel hierfür zeigt 11A, bei dem sich beispielhaft drei Bonddrähte 88 über die Engstelle 40 hinweg erstrecken und von denen jeder zu beiden Seite der Engstelle 40 an den zusammenhängenden Abschnitt 65 der oberen Metallisierungsschicht 6 gebondet ist. Anders ausgedrückt ist jeder der Bonddrähte 88 sowohl an den ersten Abschnitt 61 als auch an den zweiten Abschnitt 62 gebondet.
Einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Bereich der Engstelle 40 zeigt 11B. 11C ist eine Schnittansicht durch den vergrößerten Abschnitt gemäß 11B in einer Schnittebene E2 im Bereich der Engstelle 40. Die gesamte elektrische Verbindung 4 zwischen dem ersten Abschnitt 61 und dem zweiten Abschnitt 62 erfolgt ausschließlich im Bereich der Engstelle 40, wodurch sich eine maximale Konzentration des Stromes auf den Bereich der Engstelle 40 realisieren lässt. Die elektrisch leitende Verbindung 4 umfasst bei dieser Anordnung sowohl den zwischen dem ersten Abschnitt 61 und dem zweiten Abschnitt 62 ausgebildeten Verbindungssteg in der oberen Metallisierungsschicht 6, als auch die Bonddrähte 88.
Demgemäß existiert für die gesamte elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten Abschnitt 61 und dem zweiten Abschnitt 62 zumindest eine Schnittebene E2, in der die gesamte Querschnittsfläche der elektrisch leitenden Verbindung 4 sich innerhalb eines Kreis mit vorgegebenen Durchmesser D40 anordnen lässt. Der Durchmesser D40 kann beispielsweise im Bereich von 650 μm bis 90% der Länge l3 des Shuntwiderstandes 3 liegen.
Ein anderes Beispiel hierzu zeigt 12A, welche wiederum einen vergrößerten Ausschnitt einer Schaltungsanordnung zeigt, der dem Ausschnitt gemäß 11B entspricht. Im Unterschied zu dieser ist eine Lotschicht 89 über die Engstelle 40 hinweg auf die obere Metallisierungsschicht 6 aufgebracht, welche den zusammenhängenden Abschnitt 65 zu beiden Seiten der Engstelle 40 kontaktiert. 12B zeigt einen Vertikalschnitt durch die Engstelle mit dem auf diese aufgebrachten Lot 89 in einer Schnittebene E3. Die Lotschicht 89 ist also auf jeder Seite der Engstelle 40 elektrisch leitend mit dem zusammenhängenden Abschnitt 65 verbunden. Anders ausgedrückt kontaktiert die Lotschicht 89 sowohl den ersten Abschnitt 61 als auch den zweiten Abschnitt 62.
Noch ein anderes Beispiel zeigt 13A. Bei dieser ist ein elektrisch leitendes Metallplättchen 90 vorgesehen, das sich über die Engstelle 40 hinweg erstreckt und welches zu beiden Seiten der Engstelle 40 mit dem zusammenhängenden Abschnitt 65 elektrisch leitend verbunden ist. Die elektrisch leitende Verbindung kann beispielsweise mittels eines Lotes 89 erfolgen. 13B zeigt eine Schnittansicht der Anordnung gemäß 13A in einer Schnittebene E4. In dieser Schnittansicht ist zu sehen, dass sich das Lot 89 zwischen dem Metallplättchen 90 und der oberen Metallisierungsschicht 6 befindet. Anstelle eines Lotes 89 kann beispielsweise auch eine Drucksinterschicht oder ein elektrisch leitender Kleber zur Herstellung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem Metallplättchen 90 und der oberen Metallisierungsschicht 6 verwendet werden. Anders ausgedrückt ist das Metallplättchen 90 sowohl auf den ersten Abschnitt 61 als auch auf den zweiten Abschnitt 62 gelötet.
Entsprechend der Anordnung gemäß 11C ist auch bei den Anordnungen gemäß den 12B und 13B jeweils ein Umkreis dargestellt, der einen Durchmesser D40 aufweist und in dem sich jeweils die gesamte Querschnittsfläche der gesamten elektrischen Verbindung 4 zwischen dem ersten Abschnitt 61 und dem zweiten Abschnitt 62 befindet. Die für die Anordnung gemäß 11C angegebenen Abmessungen für den Durchmesser D40 gelten in gleicher Weise für die Anordnungen gemäß den 12B und 13B.
14 zeigt ein Leistungshalbleitermodul mit einem Gehäuse 101, welches Montagelöcher 102 aufweist, und bei welchem der Deckel entfernt ist. In dem Modul befinden sich untereinander drei Schaltungsanordnungen, die jeweils eine identische Strukturierung der oberen Metallisierungsschicht 6 aufweisen. Für die obere dieser Schaltungsanordnungen werden dieselben Bezugszeichen verwendet wie in den bisherigen Figuren, bei der mittleren und der unteren Schaltungsanordnung ebenfalls, allerdings sind diese zur Unterscheidung ergänzend mit einem einfachen bzw. mit einem doppelten hochgestellten Strich versehen. In dem gezeigten Beispiel sind die oberen Metallisierungsschichten 6, 6' und 6'' für die verschiedenen Schaltungsanordnungen auf demselben Isolationsträger 5 angeordnet. Alternativ dazu wäre es jedoch auch möglich, für jeden der drei Schaltungsträger einen separaten Isolationsträger 5, 5' bzw. 5'' vorzusehen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel bezeichnen die Bezugszeichen 1, 1' bzw. 1'' jeweils Leistungshalbleiterchips, die auf einem ersten Abschnitt 61, 61' bzw. 61'' angeordnet sind, während die Bezugszeichen 2, 2' und 2'' Leistungshalbleiterchips bezeichnen, welche sich auf dem dritten Abschnitt 63, 63' bzw. 63'' befinden. Entsprechend sind mit dem Bezugszeichen 3, 3' und 3'' Shuntwiderstände bezeichnet, welche sich auf zweiten Abschnitten 62, 62' bzw. 62'' der oberen Metallisierungsschicht 6, 6' bzw. 6'' befinden.
Bei den größeren der mit den Bezugszeichen 1, 1', 1'', 2, 2' und 2'' bezeichneten Leistungshalbleiterchips handelt es sich jeweils um einen steuerbaren Leistungshalbleiterchip (z. B. MOSFETs, IGBT, J-FET, SiC J-FET), was auch an dem in der Mitte von deren Oberseite jeweils dargestellten Steueranschluss erkennbar ist, der sich bei diesem Beispiel innerhalb des jeweiligen oberen Lastanschlusses befindet. Bei den kleineren der mit den Bezugszeichen 1, 1', 1'', 2, 2' und 2'' bezeichneten Leistungshalbleiterchips hingegen handelt es sich jeweils um Freilaufdioden, die zu dem betreffenden, ihr nächstgelegenen größeren der Leistungshalbleiterchips 1, 1', 1'', 2, 2', 2'' geschaltet ist.
Alternativ können anstelle von Parallelschaltungen von jeweils eines steuerbaren Leistungshalbleiterchips und einer Freilaufdiode z. B. auch jeweils ein SiC J-FET und ein MOSFET, insbesondere ein SiC J-FET und ein Si-MOSFET parallel geschaltet sein.
Wie erwähnt sind die oberen Metallisierungen 6, 6' und 6'' identisch strukturiert und optional identisch mit Leistungshalbleiterchips 1/2, 1'/2', 1''/2'' bestückt. Bei dem gezeigten Beispiel unterscheiden sich die drei Schaltungsanordnungen nicht hinsichtlich Anordnung der jeweiligen Leistungshalbleiterchips 1/2, 1'/2', 1''/2'' relativ zueinander. Ein Unterschied besteht allerdings in den Positionen der betreffenden Shuntwiderstände 3, 3' und 3'' auf dem jeweiligen zweiten Abschnitt 62, 62' bzw. 62'' der betreffenden oberen Metallisierungsschicht 6, 6' bzw. 6''.
Zur elektrischen Verschaltung der Shuntwiderstände 3, 3', 3'' in dem Leistungshalbleitermodul sind außer der jeweiligen oberen Metallisierungsschicht 6, 6' bzw. 6'' Bonddrähte 81, 81', 81'', 85, 85', 85'', 86, 86', 86'' vorgesehen, die schaltungsträgerseitig entsprechend der Anordnung gemäß 2B an die Oberseite des jeweiligen Shuntwiderstandes 3, 3', 3'' sowie neben den betreffenden Shuntwiderstand 3, 3', 3'' an den zweiten Abschnitt 62, 62', 62'' der zugehörigen oberen Metallisierung 6, 6', 6'' gebondet sind. Die anderen Seiten der Bonddrähte 81, 81', 81'', 85, 85', 85'', 86, 86', 86'' sind zum Zwecke der modulexternen Kontaktierbarkeit an Fußbereiche von Anschlusslaschen gebondet, die in einen Gehäuserahmen des Moduls eingesetzt sind. Weitere in dem Modul enthaltene Bonddrähte sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Als Materialien für Bonddrähte, die bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, eignen sich insbesondere Aluminium und/oder Kupfer.
An Stelle von Bonddrähten können bei der Anordnung gemäß 14 ebenso wie bei allen anderen Anordnungen Bonddrähte durch andere elektrische Verbindungsleitungen ersetzt werden. Beispielhaft seien flache Bändchen oder Bleche genannt, die gelötet, diffusionsgelötet, gebondet, ultraschallgeschweisst, oder mittels einer Niedertemperaturdrucksinterverbindung angeschlossen werden.
Bei einem Leistungshalbleitermodul können außerdem Anschlüsse wie beispielsweise die erwähnten Anschlusslaschen vorgesehen sein, die zur externen Kontaktierung des Moduls dienen. Diese Anschlüsse können an den Seiten, die zur modulexternen Kontaktierung vorgesehen sind, als Löt-, oder Schraubanschlüsse, oder als Einpress- oder Federkontakte ausgebildet sind.
Als Folge der bei den Schaltungsanordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehenen Engstellen 40 kommt es zu einem sehr flachen Gradienten des elektrischen Potentials im Bereich des Shuntwiderstandes 3, so dass eine fertigungstechnisch bedingte Positionsungenauigkeit bei der Anbringung der Abgriffe 85/86, 85'/86', 85''/86'' zur Erfassung der über dem Shuntwiderstand abfallenden Spannung nicht zu signifikanten Streuungen in der Spannungs- und damit einhergehend der Strommessung führt.
Abschließend wird darauf hingewiesen, dass bei allen vorangehend erläuterten Schaltungsanordnungen die gesamte elektrisch leitende Verbindung 4 zwischen dem ersten Abschnitt 61 und dem zweiten Abschnitt 62 diese Abschnitte 61 und 62 dauerhaft elektrisch leitend miteinander verbindet.
Ebenso wird darauf hingewiesen, dass die elektrisch leitende Verbindung 4 nicht notwendiger Weise einen Abschnitt der oberen Metallisierungsschicht 6 umfassen muss. Grundsätzlich kann eine Engstelle 40 auch mit Hilfe eines oder mehrerer der anhand der 11A bis 13B erläuterten, elektrisch leitenden Verbindungsmittel (Bonddrähte oder -bändchen 88, Lot-, Klebe- oder Sinterschichten 89, Metallplättchen 90) realisiert werden.
15 zeigt eine Draufsicht auf ein anderes Leistungshalbleitermodul. Es unterscheidet sich von dem Leistungshalbleitermodul gemäß 14 dadurch, dass drei separate Schaltungsträger 8, 8' und 8'' mit jeweils einem Isolationsträger 5, 5' bzw. 5'' vorgesehen sind, sowie durch die Anzahl der Leistungshalbleiterchips 1, 2, 1', 2', 1'', 2''. Alle Leistungshalbleiterchips, die auf demselben ersten oder dritten Abschnitt 61, 61', 61'' bzw. 63, 63', 63'' der oberen Metallisierungen 6, 6', 6'' angeordnet und mit ihren Laststrecken elektrisch parallel geschaltet sind, sind jeweils durch ein gestricheltes Oval gekennzeichnet, das mit dem Bezugszeichen 1, 2, 1', 2', 1'' bzw. 2'' für die betreffenden Leistungshalbleiterchips gekennzeichnet ist.
Das Modul weist insgesamt drei Halbbrücken auf, von denen jede einen Phasenausgang P, P' bzw. P'' aufweist, von denen jeder zugleich einen Hauptanschluss des gesamten Leistungshalbleitermoduls bildet. Die Spannungsversorgung der drei Halbbrücken weisen wird über weitere Hauptanschlüsse V+ und V– des Leistungshalbleitermoduls zugeführt und über weitere Abschnitte der oberen Metallisierungen 6, 6', 6'' an die einzelnen Halbbrücken angeschlossen.
Während die Hauptanschlüsse V+, V–, P, P', P'' als Schraubanschlüsse ausgeführt sind, sind alle anderen elektrischen Anschlüsse des Moduls mit Hilfe einer Vielzahl von Einpresskontakten 104 realisiert, die in den Gehäuserahmen 101 bei dessen Herstellung eingespritzt wurden, und die umlaufend entlang des Gehäuserahmens 101 um die Gesamtheit der Schaltungsträger 8, 8', 8'' herum verteilt angeordnet sind. Diese Einpresskontakte können z. B. gasdicht in Kontaktlöcher einer Leiterplatte eingepresst werden, die beispielsweise eine Steuerungs- und/oder Regelungs- und/oder Überwachungselektronik und/oder Schutzschaltung für das Modul enthält.
Das Leistungshalbleitermodul gemäß 15 weist außerdem eine metallische Bodenplatte 103 auf, die ganz oder zumindest im Wesentlichen aus Kupfer besteht und über die die im Modul anfallende Wärme an einen Kühlkörper abgeführt werden kann. Um das Leistungshalbleitermodul mit einem solchen Kühlkörper zu verschrauben, sind Montagelöcher 102 vorgesehen.
Ebenso wie bei dem Leistungshalbleitermodul gemäß 14 sind auch bei dem Leistungshalbleitermodul gemäß 15 die einzelnen Shuntwiderstände 3, 3', 3'' auf identisch geformten zweiten Abschnitten 62, 62', 62'' angeordnet, sowie relativ zu diesen an unterschiedlichen Positionen. An ihren Oberseiten sind die Shuntwiderstände 3, 3', 3'' mit jeweils mehreren elektrisch parallel geschalteten Bonddrähten 81, 81' bzw. 81'' an Fußbereiche der die Phasenausgänge P, P' bzw. P'' bildenden Hauptanschlüsse angeschlossen. Hierzu erstrecken sich die von der Modulaußenseite zugänglichen Hauptanschlüsse durch den Gehäuserahmen 101 hindurch bis in den Innenraum des Moduls, wo zumindest ihre Fußbereiche frei liegen und damit für die Anbondung der Bonddrähte 81, 81', 81'' zugänglich sind.

Claims

Schaltungsanordnung mit einem bestückten Schaltungsträger (2) umfassend einen flachen Isolationsträger (5), der eine Oberseite (5a) aufweist, sowie eine auf die Oberseite (5a) aufgebrachte, strukturierte Metallisierungsschicht (6); einen ersten Leistungshalbleiterchip (1), der auf einem ersten Abschnitt (61) der Metallisierungsschicht (6) angeordnet ist, und der einen ersten unteren Chip-Lastanschluss (11) aufweist, welcher mit dem ersten Abschnitt (61) elektrisch leitend verbunden ist; einen Shuntwiderstand (3), der auf einem zweiten Abschnitt (62) der Metallisierungsschicht (6) angeordnet ist, und der einen unteren Hauptanschluss (31) aufweist, welcher mit dem zweiten Abschnitt (62) elektrisch leitend verbunden ist; wobei zwischen dem ersten Abschnitt (61) und dem zweiten Abschnitt (62) eine elektrisch leitende Verbindung (4) ausgebildet ist, die eine zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt ausgebildete Engstelle (40) umfasst, welche ein beim Betrieb der Schaltungsanordnung zwischen dem ersten unteren Chip-Lastanschluss (11) und dem unterem Hauptanschluss (31) fließender Strom passieren musswobei der der erste Abschnitt (61) und der zweite Abschnitt (62) Bestandteile eines zusammenhängenden Abschnitts (65) der strukturierten Metallisierungsschicht (6) sind; und wobei der der zusammenhängende Abschnitt (65) an der Engstelle (40) eine Breite (b40) aufweist, die sowohl kleiner ist als die kleinste Breite (b11) des ersten unteren Chip-Lastanschlusses (11), als auch kleiner als die kleinste Breite (b31) des unteren Hauptanschlusses (31), wobei die Breiten (b40, b11, b31) jeweils parallel zur Oberseite (5a) des Isolationsträgers (5) bestimmt werden.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1, bei der die Breite (b40) des zusammenhängenden Abschnitts (65) an der Engstelle (40) größer ist als 650 μm.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1, bei der in den zusammenhängenden Abschnitt (65) ein länglicher erster Schlitz (51) eingebracht ist, der sich bis zu der Engstelle (40) erstreckt und der den zusammenhängenden Abschnitt (65) über die gesamte Länge (l51) des ersten Schlitzes (51) in einer Richtung (v) senkrecht zur Oberseite (5a) vollständig durchtrennt.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 2 oder 3, bei der sich eine Gerade (g1, g2) festlegen lässt, die sich vom ersten Abschnitt (61) zum zweiten Abschnitt (62) erstreckt und die den ersten Schlitz (51) schneidet.
Schaltungsanordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der sich keine Gerade festlegen lässt, die sich vom ersten Abschnitt (61) zum zweiten Abschnitt (62) erstreckt und dabei die Engstelle (40) schneidet.
Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, bei der der erste Schlitz (51) entlang von einer, zwei, drei oder vier Seiten des Shuntwiderstandes (3) verläuft.
Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem der erste Schlitz (51) um den zweiten Abschnitt (62) herum verläuft, so dass die Engstelle (40) zwischen den beiden sich gegenüberliegenden Enden des ersten Schlitzes (51) angeordnet ist.
Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, bei der in den zusammenhängenden Abschnitt (65) ein länglicher zweiter Schlitz (52) eingebracht ist, der sich bis zu der Engstelle (40) erstreckt, und der den zusammenhängenden Abschnitt (65) über die gesamte Länge (l52) des zweiten Schlitzes (52) in einer Richtung (v) senkrecht zur Oberseite (5a) vollständig durchtrennt.
Schaltungsanordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die elektrisch leitende Verbindung (4) zwischen dem ersten Abschnitt (61) und dem zweiten Abschnitt (62) allein durch den zusammenhängenden Abschnitt (65) gebildet ist.
Schaltungsanordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die elektrisch leitende Verbindung (4) zumindest ein elektrisch leitendes Element (88, 89, 90) umfasst, von denen jedes auf der einen Seite der Engstelle (40) elektrisch leitend auf die Metallisierungsschicht (6) aufgebracht und dort elektrisch leitend mit dem ersten Abschnitt (61) verbunden ist; und auf der anderen Seite der Engstelle (40) elektrisch leitend auf die Metallisierungsschicht (6) aufgebracht und dort elektrisch leitend mit dem zweiten Abschnitt (62) verbunden ist.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 10, bei der zumindest ein elektrisch leitendes Element (41) ausgebildet ist als: Bonddraht- oder flaches Bändchen (88), der bzw. das auf die Metallisierungsschicht (6) gebondet ist; Lotschicht (89), die auf die Metallisierungsschicht (6) aufgebracht ist; Metallplättchen (89), das auf die Metallisierungsschicht (6) aufgebracht und elektrisch leitend mit dieser verlötet, verklebt oder versintert ist.
Schaltungsanordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einem zweiten Leistungshalbleiterchip (2), der auf einem dritten Abschnitt (63) der Metallisierungsschicht (6) angeordnet ist, wobei der dritte Abschnitt (63) von dem ersten Abschnitt (61) beabstandet ist; der einen zweiten unteren Chip-Lastanschluss (21) aufweist, welcher mit dem dritten Abschnitt (61) elektrisch leitend verbunden ist; mit dem ersten Leistungshalbleiterchip (1) zu einer Halbbrücke in Reihe geschaltet ist.
Schaltungsanordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der der Shuntwiderstand (3) eine Breite (b3) aufweist, sowie eine Länge (l3), die größer ist als die Breite (b3); die gesamte elektrisch leitende Verbindung (4) zwischen dem ersten Abschnitt (61) und dem zweiten Abschnitt (62) an der Engstelle (40) in zumindest einer Schnittebene (E2, E3, E4) eine Querschnittsfläche mit einem Umkreisdurchmesser (D40) von weniger als 90% der Länge (l3) und/oder von mehr als 650 μm aufweist.
Schaltungsanordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Shuntwiderstand (3) einen dotierten Halbleiterkörper (30) aufweist, auf den der untere Hauptanschluss (31) aufgebracht ist, sowie einen oberen Hauptanschluss (32), der auf der dem unteren Hauptanschluss (31) abgewandten Seite des dotierten Halbleiterkörpers (30) auf den Halbleiterkörper (30) aufgebracht ist.
Leistungshalbleitermodul mit wenigstens zwei jeweils gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgebildeten Schaltungsanordnungen, die hinsichtlich des jeweiligen flachen Isolationsträgers und der jeweiligen strukturierten Metallisierungsschicht identisch aufgebaut sind, mit der Maßgabe, dass die Shuntwiderstände (3, 3', 3'') in Bezug auf den jeweiligen zweiten Abschnitt (62, 62', 62'') an unterschiedlichen Stellen angeordnet sind.
Leistungshalbleitermodul gemäß Anspruch 15 bei dem im Fall von wenigstens zwei Schaltungsanordnungen gilt, dass die Isolationsträger (8) einer jeden dieser wenigstens zwei Schaltungsanordnungen einstückig ausgebildet sind.