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Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit mindestens zwei Substraten sowie einem Mehrschichtsystem zur elektrischen und mechanischen Verbindung der Substrate.
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In gängigen Leistungshalbleitermodulen werden meist mehrere Trägersubstrate in einer Ebene auf planaren Kühlkörpern oder Bodenplatten angeordnet. Diese Kühlkörper oder Bodenplatten sind idealerweise komplett plan, oder haben maximal eine sehr geringe Durchbiegung mit einem Radius von mehreren Metern. Die Substrate werden zumeist mittels metallischer Verbindungen auf dem Kühlkörper oder der Bodenplatte angebracht und mittels Bonddrähten oder gelöteten Kupfer-(Cu)-Clips untereinander verbunden. Die auf den Substraten befindlichen Leistungshalbleiter, wie z.B. IGBTs, Dioden, FETs, Thyristoren, ..., werden beispielsweise mittels Bonddrähten aus Aluminium, sogenannten Aluminium-(Al)-Dickdrahtbonds oder Cu-Clips kontaktiert.
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Die Substrate können nicht nur untereinander elektrisch verbunden werden, sondern können – je nach Anwendung – auch an weitere Komponenten, wie z.B. Treiber, angeschlossen werden. Hierfür kann eine Vielzahl von Einzelverbindungen erforderlich sein. Dies sind beispielsweise Lötverbindungen oder Verbindungen mit kurzen Bonddrähte, welche sehr empfindlich gegenüber mechanischer Belastung und Berührung sind.
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Eine weitere Möglichkeit verschiedene Substrate untereinander zu verbinden stellt die Verwendung von flexiblen Leiterplatten dar. Hierbei ist jedoch entweder ein Lötprozess, bei dem gegebenenfalls bereits hergestellte Verbindungen auf den Substraten und PCBs wieder aufschmelzen können, oder eine Klemmtechnik erforderlich. Eine solche Klemmtechnik nimmt nicht nur viel Platz in Anspruch, sondern bringt bei Verwendung von keramischen Substraten auch den Nachteil der Bruchgefahr mit sich.
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In der
US 2009/0231822 A1 ist die Verbindung von Leistungshalbleitern und Treiberschaltungen auf einem Substrat mit Hilfe von Mehrschichtanordnungen, sogenannten Multilayerschichten, beschrieben. Die Verwendung solcher Multilayerschichten macht die oben beschriebenen Löt- oder Klemmtechniken überflüssig. Ein ähnliches Vorgehen ist in der
US 5 637 922 und der
WO 03/030247 beschrieben. Bei den bekannten Verfahren werden die verschiedenen Schichten lediglich zur Kontaktierung von Leistungsbausteinen und Steuerschaltungen auf einem einzigen Substrat verwendet. Die
DE 196 17 055 C1 offenbart eine spezielle Ausführungsform, bei der die leitende Lage aus einem isolierten Preform besteht.
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In der
DE 10 2004 019 431 A1 ist eine Vorrichtung beschrieben, welche aus einer Leiterplatte und einer Schaltungsträgerplatte besteht, wobei die Schaltungsträgerplatte in einer Aussparung einer inneren Lage der Leiterplatte angeordnet ist und von äußeren Lagen der Leiterplatte in der Aussparung fest fixiert und gehalten wird. Mittels einer Multilayerschicht wird der Kontakt zwischen den Leistungshalbleitern, sowie zwischen der Schaltungsträgerplatte und der Leiterplatte hergestellt.
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In allen diesen Fällen ist nur eine ebene Anordnung der Substrate und Leiterplatten möglich. In vielen Applikationen steht jedoch nur ein kleiner und/oder unebener Einbauraum zur Verfügung. Planare Anordnungen können einen solchen Einbauraum nur in seltenen Fällen flächenoptimiert nutzen.
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Die
DE 100 26 743 C1 beschreibt eine Anordnung von Substraten zur Aufnahme einer Schaltungsanordnung, welche eine dreidimensionale Anordnung im Raum ermöglicht, um zusätzliche Kontaktflächen zur Wärmeableitung zu schaffen. Auf einem Trägersubstrat ist eine Kontaktsubstratschicht aufgebracht. In das Trägersubstrat können dann Ausnehmungen, Durchbrechungen oder Unterbrechungen eingebracht werden, um die dadurch entstehenden Teilstücke des Trägersubstrats, welche weiterhin durch das Kontaktsubstrat verbunden sind, gegeneinander verbiegen zu können. Bauelemente werden dann so auf dem Kontaktsubstrat aufgebracht, dass sie auf zwei Seiten jeweils von einem Trägersubstrat kontaktiert werden können, um eine optimale Entwärmung zu gewährleisten. Zu diesem Zweck sind nur spezielle Winkel, insbesondere 90°, vorteilhaft.
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Heutzutage werden die Substrate zur Aufnahme einer Schaltungsanordnung elektronischer Bauelemente überwiegend aus keramischen Trägersubstraten gebildet. Keramik weist jedoch eine niedrige Bruchzähigkeit auf. Bei der Bearbeitung des Substrats zur Herstellung von Ausnehmungen, Durchbrechungen oder Unterbrechungen, sowie beim anschließendem Biegen, kann das Substrat dadurch leicht ungewollt beschädigt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Leistungshalbleitermodul mit mindestens zwei Substraten zur Verfügung zu stellen, bei dem eine flexible, dreidimensionale Anordnung der Substrate mit beliebigen Winkeln im Raum möglich ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Leistungshalbleitermodul gemäß Anspruch 1 gelöst. Beispielhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit mindestens zwei Substraten, die beabstandet zueinander angeordnet sind, die jeweils mindestens ein Bauelement oder jeweils mindestens eine Kontaktfläche aufweisen, und die mittels mindestens einer Schicht elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind, wobei die mindestens eine Schicht so auf den zu verbindenden Substraten aufgebracht ist, dass sie diese zumindest teilweise bedeckt, wobei das mindestens eine Bauelement und/oder mindestens eine Kontaktfläche nur mit jeweils einem der Substrate eine direkte Verbindung aufweist, und wobei das mindestens eine Bauelement und/oder die mindestens eine Kontaktfläche zwischen dem jeweiligen Substrat und der mindestens einen Schicht angeordnet sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert, in denen Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Die Figuren dienen zur Erläuterung des Grundprinzips, so dass nur die zum Verständnis des Grundprinzips notwendigen Merkmale dargestellt sind.
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1 zeigt eine dreidimensionale Ansicht zweier Substrate sowie einer Schicht zum Verbinden der Substrate.
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2 zeigt einen Querschnitt durch eine Anordnung mit zwei Substraten, welche im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet sind, und durch Schichten miteinander verbunden sind.
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3 zeigt einen Querschnitt durch eine Anordnung mit zwei parallel übereinander angeordneten Substraten, die über Schichten miteinander verbunden sind.
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4 zeigt einen Querschnitt durch eine Anordnung mit drei Substraten, welche in einer Ebene nebeneinander angeordnet und mittels Multilayerschichten miteinander verbunden sind.
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5 zeigt einen Querschnitt durch eine Anordnung mit drei Substraten, welche mittels Multilayerschichten miteinander verbunden sind und die nicht in einer Ebene angeordnet sind.
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In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche oder korrespondierende Merkmale mit gleicher oder ähnlicher Bedeutung.
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1 zeigt perspektivisch zweier beabstandet voneinander angeordneter Substrate 1 1, 1 2. Die Substrate 1 können beliebige Schaltungsträger auf organischer oder anorganischer Basis sein. Solche Substrate sind beispielsweise PCB-(Printed Circuit Board)-, DCB-(Direct Copper Bonding)-, IM-(Insulated Metal)-, HTCC-(High Temperature Cofired Ceramics)-, LTCC-(Low Temperature Cofired Ceramics)-, und AMB-(Active Metal Brazing)-Substrate. Bei einem keramische Substrat wird beispielsweise auf dessen Vorder- und Rückseite eine metallische Schicht aufgebracht. Ein Substrat 1 1, das in 1 dargestellt ist, ist ein solches keramisches Substrat und weist auf beiden gegenüberliegenden Seiten jeweils eine metallische Schicht 11, 12 auf, die nachfolgend als erste und zweite metallische Schichten bezeichnet werden. Auf der zweiten metallischen Schicht 12 ist in dem dargestellten Beispiel ein Halbleiterbauelement 21 aufgebracht. Das Halbleiterbauelement 21 ist beispielsweise ein Leistungshalbleiterbauelement, wie z.B. ein IGBT, eine Diode, ein FET oder ein Thyristor. Wenngleich in 1 nur ein Halbleiterbauelement 21 dargestellt ist, sei darauf hingewiesen, dass auf einer metallischen Schicht 12 auch mehrere Bauelemente angeordnet sein können. Das Halbleiterbauelement kann entweder direkt kontaktiert werden oder über Leiterbahnen mit Kontaktflächen verbunden sein.
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Bei dem in 1 dargestellten Beispiel weist das zweite Substrat 1 2 eine Kontaktfläche 20 auf. Dieses Substrat 1 2 könnte alternativ oder zusätzlich jedoch auch mindestens ein Bauelement (nicht dargestellt) aufweisen. Um Bauteile, wie beispielsweise das Bauteil 21 gemäß 1, und/oder Kontaktflächen, wie beispielsweise die Kontaktfläche 20 gemäß 1, zu kontaktieren bzw. untereinander zu verbinden ist eine Schichtanordnung mit leitenden und nicht-leitenden Schichten vorhanden, die auf die Substrate aufgebracht ist. Diese Schichten können beispielsweise jeweils aus Folien auf Polyimid- oder Epoxidbasis (nicht leitende Schichten) oder aus Metall wie zum Beispiel Kupfer, Karbon, Palladium, Aluminium oder Silber (leitende Schichten) bestehen, welche beispielsweise unter Vakuum auf die Oberfläche auflaminiert werden. Solche Folien sind stabil genug, um auf jeweils zwei beabstandet voneinander angeordnete Substrate auflaminiert zu werden und diese über den Zwischenraum zwischen den Substraten hinweg zu verbinden.
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In 1 ist eine einzelne solche Folie 32 beabstandet zu den Substraten 1 1, 1 2 dargestellt, um die darunter liegenden Komponenten auf den Substraten sichtbar zu machen. Im auflaminierten Zustand verbindet diese Folie 32 das Leistungsbauelement 21 auf dem einen Substrat 1, mit der Kontaktfläche 20 auf dem anderen Substrat 1 elektrisch. Gleichzeitig verbindet die Folie die beiden Substrate 1 1, 1 2 mechanisch miteinander. Auf diese Art und Weise können auch mehr als zwei Substrate 1 1, 1 2 miteinander verbunden werden.
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Schaltungen mit mehreren Bauelementen können so komplex sein, dass eine einzelne leitende Schicht nicht ausreichend ist, sondern dass mehrere Schichten übereinander aufgebracht werden müssen. Hierbei kommen sowohl isolierende als auch leitende Schichten zum Einsatz, um die gewünschten Komponenten miteinander zu verbinden. Als erstes wird beispielsweise eine isolierende Schicht aufgebracht. Nach dem Aufbringen der isolierenden Schicht kann jede zu kontaktierende Kontaktfläche auf der Oberfläche durch Öffnen jeweiliger Fenster in der Folie freigelegt werden. Die so freigelegten Kontaktflächen können anschließend zum Beispiel mit einer Schicht aus Metall flächig kontaktiert werden. Auf diese Art und Weise können mehrere leitende und nicht leitende Schichten nacheinander aufgetragen werden und es können komplexe Verbindungsstrukturen realisiert werden.
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2 zeigt einen Querschnitt durch eine Anordnung mit zwei Substraten 1 1, 1 2. Eines der Substrate 1 1 ist auf einander gegenüberliegenden Seiten mit einer ersten und einer zweiten metallischen Schicht 11, 12 beschichtet. Auf der zweiten metallischen Schicht 12 befinden sich in dem Beispiel zwei Halbleiterbauelemente 21 1, 21 2. Auf dem anderen Substrat 1 2 befinden sich in dem Beispiel ein Leistungshalbleiterbauelement 22, ein Treiber 23, und eine Signalauswerteschaltung 24 auf der einen Seite des Substrats 1, sowie Steueranschlüsse 42 auf der anderen Seite des Substrates 1. Die Steueranschlüsse 42 ermöglichen es, das Leistungshalbleitermodul von außen elektrisch zu kontaktieren. Mit den Steueranschlüssen 42 kann ein Strom eingeprägt werden, mit dem die Halbleiterbauelemente 21 1, 21 2 geschaltet werden können. In gleicher Weise können auch Lastanschlüsse erzeugt werden, über die der eigentliche zu schaltende Strom geführt wird.
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Die beiden Substrate 1 1, 1 2 sind in dem Beispiel durch eine Mehrschichtanordnung miteinander verbunden, die in dem Beispiel zwei Schichten aufweist: eine elektrisch leitende Schicht 32, wie beispielsweise eine Metallisierungsschicht 32; sowie eine Isolationsschicht 33. Die Metallisierungsschicht 32 und die Isolationsschicht 33 bedecken das eine Substrat 1 1 zu einem großen Teil und verbinden somit auch die beiden Bauteile 21 untereinander. Die Bauteile 21 können direkt, zum Beispiel durch Lötverbindungen, und/oder über die Metallisierungsschicht 32 mit der zweiten metallischen Schicht verbunden sein. In die Schicht 33 sind in dem Beispiel zusätzlich Hochstromkontakte 41 eingebracht, welche u. a. einen Leistungshalbleiter 21 und die metallische Schicht 12 kontaktieren. Durch diese Hochstromkontakte 41 ist es beispielsweise möglich das Leistungshalbleitermodul von außen elektrisch zu kontaktieren. Hochstromkontakte 41 können somit die Funktion von Lastanschlüssen übernehmen. Damit die Metallisierungsschicht 32 keinen ungewollten Kontakt zu der zweiten metallischen Schicht 12 aufweist, ist stellenweise eine zusätzliche Isolationsschicht 31 eingebracht.
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Die nach dem oben beschriebenen Prinzip entstandenen, aus mehreren Schichten bestehenden, Verbindungen zwischen den Substraten 1 sind so flexibel, dass ein Verbiegen oder Verknicken der Substrate gegeneinander möglich ist. Die Verbindungen zwischen den Substraten sind sogar derart flexibel, dass auch ein mehrmaliges Biegen oder Knicken der Anordnung im Raum möglich ist. Dadurch können z. B. Treiberplatinen ohne zusätzliche Kontaktierung auf die Oberseite von Leistungshalbleitersubstraten gelegt werden und mit Ihnen z.B. durch eine Silikonklebung fixiert werden.
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3 zeigt einen Querschnitt durch eine solche Anordnung. Die zwei Substrate 1 sind hier nicht in einer Ebene angeordnet, vielmehr befinden sie sich parallel zueinander in zwei verschiedenen Ebenen und sind übereinander angeordnet. Die Substrate 1 sind dabei so ausgerichtet, dass jeweils die mit Bauteilen (21, 22, 23, 24) bestückten Seiten zueinander zeigen. Die Verbindung durch die Schichten 32, 33 besteht weiterhin unverändert. Die Hochstromkontakte 41 des einen Substrats 1, weisen nun auch eine Verbindung mit dem zweiten Substrat 1 auf. Es ist jedoch auch weiterhin eine Kontaktierung der Hochstromkontakte 41 von außen möglich. In der gezeigten Anordnung weisen die beiden Substrate 1 einen Zwischenraum auf, welcher mit Vergussmaterial 5 gefüllt werden kann. Als Vergussmaterial 5 kann beispielsweise Silikon verwendet werden. Dadurch ergibt sich eine deutlich kompaktere Bauform des Leistungshalbleitermoduls.
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Bei dieser Konstruktion bietet es sich zudem weiterhin an, das als Treiberplatine fungierende Substrat 1 2 an der dem zweiten Substrat 1 1 nach dem Klappen abgewandten Seite vor der Verbindung mit dem Substrat 1 1 mit elektrischen Kontakten 42 zu versehen. Diese bilden dann eine Signalkontaktierung des Moduls nach außen hin. Auf gleiche Weise können auch Leistungsanschlüsse hergestellt werden.
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In 4 ist ein Querschnitt durch eine Anordnung mit drei Substraten 1 dargestellt. Alle drei Substrate 1 sind auf einer Seite mit einer ersten metallischen Schicht 11 und auf der anderen Seite mit einer zweiten metallischen Schicht 12 beschichtet. Die Substrate 1 befinden sich in einer Ebene. Bei allen Substraten 1 sind auf die metallische Schicht 12 jeweils Bauelemente 21 aufgebracht. Zudem ist eine Metallisierungsschicht 32 auf die Substrate 1 und die Bauelemente 21 aufgebracht. An Stellen, an denen kein Kontakt der Metallisierungsschicht 32 zur metallischen Schicht 12 und zu den Bauelementen 21 gewünscht ist, sind Ausnehmungen in die Metallisierungsschicht 32 eingebracht. Die Metallisierungsschicht 32 wird ohne Unterbrechung zwischen den Substraten 1 weitergeführt, um so eine mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Substraten 1 und den Bauelementen 21 herzustellen. Auf diese Weise können Bauelemente 21 auf zwei oder mehr verschiedenen Substraten 1 miteinander elektrisch verbunden werden. Die Bauteile 21 auf einem Substrat 1 können ebenfalls über Metallisierungsschichten 32, aber auch über Leiterbahnen und andere elektrische Verbindungen miteinander verbunden sein. Eine elektrische Verbindung von Bauteilen 21 auf einem Substrat 1 kann je nach Funktion des Leistungshalbleitermoduls jedoch auch gar nicht erwünscht sein und ist demnach nicht zwingend erforderlich. Eine Isolierungsschicht 33 ist als oberste Schicht auf die Substrate 1, die Bauelemente 21 und die Metallisierungsschicht 32 aufgebracht. Auch diese Schicht wird ohne Unterbrechung zwischen den Substraten weitergeführt, um eine weitere mechanische Verbindung zwischen den Substraten 1 herzustellen. Zudem ist diese Schicht für eine evtl. notwendige Isolierung von Bauteilen 21 und/oder Schichten 32 notwendig.
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Alle Substrate 1 weisen in dem Beispiel wiederum Hochstromkontakte 41 auf, welche die Metallisierungsschicht 12, die Bauelemente 21, oder die Metallisierungsschicht 32 kontaktieren und zur elektrischen Verbindung nach außen hin dienen. An Stellen, an denen kein Kontakt zwischen der – Metallisierungsschicht 32 und der metallischen Schicht 12 gewünscht ist, sind wieder weitere Schichten der Isolierung 31 eingebracht.
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5 zeigt einen Querschnitt durch dieselbe Anordnung aus 4. Die Substrate 1 sind hier jedoch nicht mehr in einer Ebene angeordnet, sondern sind gegeneinander um einen Winkel größer 0° verknickt. Durch Verknicken der Substrate 1 aus der Ebene heraus kann das Leistungshalbleitermodul an die Gegebenheiten verschiedener Bauräume angepasst werden. Beispielsweise könnte eine solche Anordnung an der Außenwand eines Motors angebracht sein, welche in der Regel eine gerundete Form aufweist.
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Durch die Verbindung von Substraten mittels flexibler, so genannter Multilayer-, oder PLIT-Schichten können Leistungshalbleitermodule deutlich besser an gegebenen Bauraum angepasst werden. Zudem kann durch die flächige Anbindung von Steuer- und Lastanschlüssen eine extrem niederinduktive Verschaltung der Leistungshalbleiter erzielt werden. Durch die Anwendung von Halbleiterbauelementen wie z.B. IGBTs oder Dioden, sowie der Kontaktierung nach Außen mittels einer Multilayer- oder PLIT-Schicht, wird ebenfalls Bauraum auf dem Substrat selber eingespart, der im herkömmlichen Fertigungsprozess für Kontaktierungstechnologien wie z. B. Wire Bonden freigehalten werden muss. Daraus resultiert als weiterer Vorteil auch eine flexiblere Gestaltungsfreiheit beim Substrat-Layout, unter anderem in Bezug auf Wärmeableitung und Kommutierungspfade.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2009/0231822 A1 [0005]
- US 5637922 [0005]
- WO 03/030247 [0005]
- DE 19617055 C1 [0005]
- DE 102004019431 A1 [0006]
- DE 10026743 C1 [0008]
