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Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul. Der Aufbau moderner Leistungshalbleitermodule ist sehr komplex und erfordert eine Vielzahl von Lötverbindungen oder anderen stoffschlüssigen Verbindungen zwischen verschiedensten Komponenten, beispielsweise zwischen der Metallisierung eines Schaltungsträgers und einem externen Lastanschlusspin, der außerhalb des Moduls nochmals elektrisch kontaktiert wird. Mit jeder derartigen Verbindung ist jedoch ein elektrischer Übergangswiderstand verbunden, sowie das Risiko, dass die Verbindung im Laufe der Zeit altert. Abgesehen davon ist die Herstellung einer solchen Verbindung mit viel Aufwand verbunden.
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Weiterhin steigt die Leistungsdichte bei Leistungshalbleitermodulen ständig an, so dass es nicht unproblematisch ist, die beim Betrieb anfallende Verlustwärme abzuführen.
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Aus der
US 2003/0 002 260 A1 ist ein Halbleiterbauelement bekannt, welches zwischen zwei Leiterplattenstrukturen angeordnet ist, die jeweils eine Komposit-Metallplatte aufweisen. Dabei ist ein Ausführungsbeispiel einer Komposit-Metallplatte erläutert, die mit Kupfer plattierte Metallplatte aus einer Eisen-Nickel-Legierung enthält. Die Dicke der unplattierten Metallplatte ist 0,2 mm.
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Die
US 6 265 772 B1 beschreibt eine gestapelte Halbleiteranordnung mit zwei Modulsubstraten, die als gedruckte Leiterplatte oder als Keramikplatte ausgebildet sind und jeweils eine eingebettete Wärmeleitschicht aus Kupfer enthalten. Zu den Dicken dieser Wärmeleitschichten wird nichts ausgesagt.
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Die
US 6 670 699 B2 zeigt eine mit einem Halbleiterchip bestückte, gedruckte Leiterplatte, welche eine eingebettete Kühlkörper-Platte enthält, die aus Kupfer oder Aluminium besteht und die eine Dicke von 0,1 mm bis 1 mm besitzt.
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Die
US 2009/0 116 197 A1 betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit zwei isolierenden Substraten, zwischen denen Halbleiterbauelemente angeordnet sind. Zur äußeren elektrischen Kontaktierung der Anordnung sind Anschlusselektroden vorhanden, die durch eine Löt- oder Ultraschallverbindungstechnik mit Metallisierungen der Substrate verbunden und seitlich aus einem Harzversiegelung herausgeführt sind.
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Aus dem Abstract der
JP H05 - 175 407 A ist es bekannt, das Wärmeabstrahlvermögen eines Substrats dadurch zu verbessern, dass leitende Pins in Durchgangsbohrungen des Substrats eingesetzt werden. Derartige Pins können auch dazu verwendet werden, eine Leiterplatte anzuschließen.
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Die
US 2002/0 191 383 A1 betrifft stapelbare Ball-Grid-Array Baugruppen. Die Baugruppen weisen jeweils ein Substrat mit einer Öffnung auf, in die ein Verbindungspin eingesetzt und an eine Leiterbahn des betreffenden Substrates angeschlossen ist. Beim Stapeln derartiger Substrate kann der Verbindungspin kann in eine Öffnung im Substrat einer anderen Baugruppe eingesteckt werden. Hierdurch werden elektrische Verbindungen zwischen den Substraten ermöglicht.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Leistungshalbleitermodul bereit zu stellen, bei dem zumindest eines der erläuterten Probleme verbessert wird. Diese Aufgabe wird durch ein Leistungshalbleitermodul gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Ein entsprechend verbessertes Leistungshalbleitermodul umfasst eine erste Leiterplatte, eine in einer vertikalen Richtung von der ersten Leiterplatte beabstandete zweite Leiterplatte, sowie einen Halbleiterchip. Die erste Leiterplatte weist einen ersten Isolationsträger auf, sowie eine erste obere Metallisierung und eine erste untere Metallisierung, die aufeinander entgegengesetzten Seiten auf den ersten Isolationsträger aufgebracht sind. Die zweite Leiterplatte umfasst einen zweiten Isolationsträger und eine auf diesem aufgebrachte zweite obere Metallisierung. Weiterhin ist zwischen der ersten Leiterplatte und der zweiten Leiterplatte ein Halbleiterchip angeordnet und zumindest mit der zweiten oberen Metallisierung elektrisch leitend verbunden. Die erste untere Metallisierung und die zweite obere Metallisierung sind einander zugewandt. Die erste Leiterplatte umfasst eine erste dicke Leiterschicht, die zumindest teilweise in den ersten Isolationsträger eingebettet ist und die eine Dicke von wenigstens 100 µm oder von wenigstens 400 µm aufweist. Außerdem weist die erste Leiterplatte eine elektrisch leitende erste Durchkontaktierung auf, die sich in der vertikalen Richtung vollständig durch den ersten Isolationsträger hindurch erstreckt und die durch einen Abschnitt der ersten dicken Leiterschicht hindurchgeführt und mit diesem Abschnitt elektrisch leitend verbunden ist. Ein Teilabschnitt des Abschnitts der ersten dicken Leiterschicht ist in einer zur vertikalen Richtung senkrechten lateralen Richtung aus dem ersten Isolationsträger herausgeführt.
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Die Verwendung einer derartigen dicken Leiterschicht ermöglicht es, hohe Ströme innerhalb der ersten Leiterplatte zu übertragen. Wenn die dicke Leiterschicht seitlich aus dem ersten Isolationsträger heraus geführt wird, so kann der herausgeführte Teilabschnitt als elektrischer Anschluss verwendet werden. Dies hat den Vorteil, dass für den betreffenden Anschluss kein Anschlusspin auf die dem Halbleiterchip abgewandte Seite der ersten Leiterplatte aufgelötet oder anderweitig stoffschlüssig verbunden werden muss, so dass eine mit einer solchen stoffschlüssigen Verbindung einhergehende Widerstandserhöhung überhaupt nicht auftritt. Abgesehen davon, muss auf der dem Halbleiterchip abgewandten Seite der ersten Leiterplatte kein Platz für diesen externen Anschlusspin vorgehalten werden. Stattdessen kann auf dieser Seite ergänzend zu einem Kühlkörper auf der dem Leistungshalbleiterchip abgewandten Seite der zweiten Leiterplatte ein weiterer Kühlkörper auf der dem Halbleiterchip abgewandten Seite der ersten Leiterplatte angeordnet werden, so dass eine effiziente zweiseitige Kühlung des Leistungshalbleitermoduls gegeben ist. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
- 1 Ein Schaltbild einer Halbbrücke mit zwei steuerbaren Leistungshalbleiterschaltern, deren Laststrecken in Reihe geschaltet sind;
- 2 ein Schaltbild einer Dreifach-Halbbrücke;
- 3A einen Vertikalschnitt durch ein zweiseitig gekühltes Leistungshalbleitermodul mit zwei Leiterplatten, von denen eine eine dicke Metallisierungsschicht aufweist;
- 3B eine Draufsicht auf das Leistungshalbleitermodul gemäß 3A;
- 4 einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul, das sich von dem Leistungshalbleitermodul gemäß 3A dadurch unterscheidet, dass auf derselben Seite einer der Leiterplatten zwei voneinander beabstandete und elektrisch gegeneinander isolierte Kühlkörper angeordnet sind;
- 5A zwei steckbar miteinander verbindbare Leiterplatten vor deren Montage zu einem Leistungshalbleitermodul;
- 5B die Anordnung gemäß 5A nach dem Aufstecken der einen Leiterplatte auf die andere Leiterplatte;
- 5C die Anordnung gemäß 5B nach der Montage eines Kühlkörpers;
- 6 einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul mit zwei über Steckverbindungen miteinander verbundene Leiterplatten, von denen eine zwei parallel zueinander verlaufende Leiterschichten umfasst;
- 7 einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul mit zwei Leiterbahnen, von denen jede eine dicke Leiterschicht umfasst;
- 8 eine Draufsicht auf ein Leistungshalbleitermodul, in dem eine Dreiphasen-Halbbrücke gemäß 2 realisiert ist;
- 9 eine Draufsicht auf ein Leistungshalbleitermodul mit drei einzelnen Halbbrücken, von denen jede gemäß dem Schaltbild gemäß 1 aufgebaut ist;
- 10 einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul mit zwei Leiterplatten, von denen jede ein metallisches Inlay aufweist, über die die in den Halbleiterchips des Moduls anfallende Verlustwärme an die gegenüberliegende Seite der jeweiligen Leiterplatte abgeführt werden kann; und
- 11 einen Horizontalschnitt durch die dicke erste Leiterschicht und den Isolationsträger der in 3A dargestellten ersten Leiterplatte in einer zur vertikalen Richtung senkrechten Schnittebene.
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In den Figuren bezeichnen, soweit nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente mit gleicher Funktion.
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1 zeigt ein Schaltbild einer Halbbrücke mit zwei steuerbaren Leistungshalbleiterschaltern 3, von denen jeder einen ersten Lastanschluss 31 und einen zweiten Lastanschluss 32 aufweist, sowie einen Steueranschluss 33, mittels dem ein elektrischer Strom zwischen dem ersten und zweiten Lastanschluss 31, 32 ein- und/oder ausgeschaltet oder auf einen beliebigen Wert zwischen 0 A (Ampere) und dem bei voller Aufsteuerung des steuerbaren Halbleiterschalters auftretendem Maximalstrom eingestellt werden kann. Die Strecke, über die der Strom zwischen den Lastanschlüssen 31 und 32 fließt, wird auch als Laststrecke bezeichnet. Wie aus 1 ersichtlich ist, sind die Laststrecken der beiden steuerbaren Leistungshalbleiterschalter 3 in Reihe geschaltet, wodurch eine Halbbrücke entsteht. Optional kann ein jeder der Leistungshalbleiterschalter 3 einen nicht dargestellten Hilfs-Sourceanschluss aufweisen.
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Weiterhin sind Anschlüsse 34 und 35 vorgesehen, die dazu dienen, die Halbbrücke an elektrische Betriebspotentiale U+ bzw. U- anzuschließen. Der Anschluss 34 für das positive Betriebspotential U+ ist an dem ersten Lastanschluss 31 des oberen Halbleiterschalters 3, der Anschluss 35 für das negative Betriebspotential U- an den zweiten Lastanschluss 32 des unteren Halbleiterschalters 3 angeschlossen. Der näher am Anschluss 34 befindliche Halbleiterschalter 3 wird auch als „high side switch“ (HS) der Halbbrücke bezeichnet, der näher am Anschluss 35 liegende Halbleiterschalter 3 entsprechend als „low side switch“ (LS).
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Weiterhin ist ein Phasenausgang Ph vorgesehen, der elektrisch leitend sowohl mit dem zweiten Lastanschluss 32 des oberen Halbleiterschalters 3 als auch mit dem ersten Lastanschluss 31 des unteren Halbleiterschalters 3 verbunden ist. Hierdurch kann in Abhängigkeit von der Ansteuerung der beiden Halbleiterschalter 3 über ihre jeweiligen Steueranschlüsse 33 und über gegebenenfalls vorhandene Hilfs-Sourceanschlüsse ein am Phasenausgang Ph anliegendes Potential eingestellt werden.
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Wenn bei einer derartigen Halbbrücke der obere Halbleiterschalter 3 (HS) ein- und der untere Halbleiterschalter 3 (LS) ausgeschaltet ist, liegt am Phasenausgang Ph im Wesentlichen das positive Betriebspotential U+ an. Im umgekehrten Fall, wenn der obere Halbleiterschalter 3 (HS) aus- und der untere Halbleiterschalter 3 (LS) eingeschaltet ist, liegt am Phasenausgang Ph im Wesentlichen das negative Betriebspotential U-an. Auf diese Weise lässt sich durch einen steten Wechsel zwischen den beiden erläuterten Zuständen am Phasenausgang Ph ein Potentialverlauf erzeugen, der im Wesentlichen zwischen dem positiven Betriebspotential U+ und dem negativen Betriebspotential U- wechselt.
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Um während des Umschaltens zwischen den beiden Zuständen ein gleichzeitiges Einschalten beider Halbleiterschalter 3 (HS und LS) zu vermeiden, kann bei jedem Wechsel eine kurze Sicherheitszeitspanne vorgesehen sein, innerhalb der beide Halbleiterschalter 3 (HS, LS) ausgeschaltet sind.
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Bei dem Beispiel gemäß 1 sind die steuerbaren Halbleiterschalter als MOSFETs ausgebildet. Ebenso können jedoch beliebige andere steuerbare Halbleiterschalter, wie beispielsweise Transistoren, IGBTs oder Thyristoren oder JFETs eingesetzt werden. Optional besteht außerdem noch die Möglichkeit, zur Laststrecke eines jeden der steuerbaren Halbleiterschalter jeweils eine Freilaufdiode parallel zu schalten.
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2 zeigt ein Schaltbild mit drei an eine gemeinsame Versorgungsspannung angeschlossene Halbbrücken, von denen jede hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der anhand von 1 erläuterten Halbbrücke identisch ist bzw. identisch betrieben werden kann. Die Steueranschlüsse 33 der einzelnen steuerbaren Halbleiterschalter 3 sind separat und unabhängig voneinander ansteuerbar. Die Phasenausgänge der verschiedenen Halbbrücken sind mit Ph1, Ph2 bzw. Ph3 bezeichnet. Sie sind ebenfalls voneinander unabhängig.
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Auf entsprechende Weise lassen sich auch andere Anordnungen wie beispielsweise Zweifachhalbbrücken mit nur zwei Halbbrücken oder aber Vier- und Mehrhalbbrücken an einer gemeinsame Versorgungsspannung betreiben.
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Halbbrückenschaltungen, wie sie beispielhaft anhand der 1 und 2 erläutert wurden, aber auch beliebige andere Halbleiterschaltungen lassen sich mit einer Aufbautechnik realisieren, deren Prinzipien anhand der nachfolgenden Figuren erläutert werden.
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3A zeigt einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul 100. Das Modul 100 weist wenigstens einen Halbleiterchip 3, 4 auf. Bei den Halbleiterchips 3 kann es sich beispielsweise um zwei steuerbare Halbleiterchips handeln, deren Laststrecken gemäß dem in 1 gezeigten Schaltbild zu einer Halbbrücke in Reihe geschaltet sind. Bei den optionalen Halbleiterbauelementen 4 handelt es sich jeweils um eine Freilaufdiode, von denen jede zu einem anderen der steuerbaren Halbleiterschalter 3 parallel geschaltet ist.
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Die erste Leiterplatte 1 umfasst einen Isolationsträger 10, der auf einander entgegengesetzten Seiten mit einer ersten oberen Metallisierungsschicht 11 bzw. einer unteren ersten Metallisierungsschicht 12 versehen ist. In den Isolationsträger 10 ist eine dicke Leiterschicht 13 teilweise eingebettet. Diese dicke Leiterschicht 13 weist in der vertikalen Richtung v eine Dicke d13 von wenigstens 100 µm oder von wenigstens 400 µm auf. Optional kann die Dicke d13 kleiner oder gleich 2 mm gewählt werden. Die erste dicke Leiterschicht weist mindestens zwei voneinander beabstandete Abschnitte 131, 132, 133, 134 auf.
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Bei der ersten Leiterplatte 1 kann es sich entweder um eine herkömmliche Leiterplatte mit nicht-keramischem Isolationsträger 10 handeln, oder aber um ein Keramiksubstrat, das einen keramischen Isolationsträger 10 aufweist.
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3B zeigt eine Draufsicht auf das Leistungshalbleitermodul gemäß 3A, wobei der Kühlkörper 51 entfernt wurde. Bestimmte in dieser Draufsicht eigentlich verdeckte Bestandteile des Leistungshalbleitermoduls 100 sind in dieser Draufsicht gestrichelt dargestellt. Aus der Draufsicht gemäß 3B ist der Verlauf der Abschnitte 131, 133 und 134 der dicken Leiterschicht 13 zu erkennen. Von einem jeden der Abschnitte 131, 133, 134 der dicken Leiterschicht 13 ist ein Teil 131e, 133e bzw. 134e in einer zur vertikalen Richtung v senkrechten Richtung r seitlich aus dem ersten Isolationsträger 10 herausgeführt und mit jeweils einer optionalen Montageöffnung 36 versehen. Diese Montageöffnungen 36 dienen dazu, den betreffenden herausgeführten Teilabschnitt 131e, 133e bzw. 134e elektrisch an eine modulexterne Komponente, beispielsweise eine Spannungsquelle, einen Zwischenkreiskondensator oder eine Last, anzuschließen.
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Der Teilabschnitt 131e, der dazu dient, die Halbbrücke an ein positives Betriebspotential U+ anzuschließen, entspricht in 1 dem Anschluss 34. Analog dazu entspricht der Teilabschnitt 134e, der dazu dient, die Halbbrücke an ein negatives Betriebspotential anzuschließen, dem in 1 gezeigten Anschluss 35.
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Bei dem Beispiel gemäß 3B sind die externen Teilabschnitte 131e, 133e und 134e auf derselben Seite des ersten Isolationsträgers 10 in lateraler Richtung r aus dem ersten Isolationsträger 10 herausgeführt. Abweichend davon können diese externen Teilabschnitte 131e, 133e und 134e jedoch auch auf verschiedenen Seiten aus dem Isolationsträger 10 herausgeführt sein.
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Die Verschaltung zu einer Halbbrücke erfolgt unter Verwendung der beiden Leiterplatten 1 und 2. Bei der zweiten Leiterplatte 2 handelt es sich um ein Keramiksubstrat, das einen keramischen Isolationsträger 20 aufweist, der mit einer strukturierten zweiten oberen Metallisierungsschicht 21 versehen ist. Optional kann der Isolationsträger 20 auch auf seiner ersten oberen Metallisierungsschicht 21 abgewandten Seite mit einer unteren zweiten Metallisierungsschicht 22 versehen sein.
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Aufgrund ihrer Strukturierung weist die zweite obere Metallisierungsschicht 21 eine Leiterbahn- und/oder Leiterflächenstruktur auf, die zur Verschaltung der Halbleiterchips 3, 4 verwendet werden kann. Die optionale zweite untere Metallisierungsschicht 22 ist vorzugsweise als durchgehende unstrukturierte Metallisierungsschicht ausgebildet. Gleichwohl kann auch sie zu Leiterbahnen und/oder Leiterflächen strukturiert sein. Im Unterschied dazu sind sowohl die erste obere Metallisierungsschicht 11 als auch die erste untere Metallisierungsschicht 12 der ersten Leiterplatte 1 zu Leiterbahnen und/oder Leiterflächen strukturiert.
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Die Montage der Halbleiterchips 3, 4 auf der zweiten oberen Metallisierungsschicht 21 erfolgt mit Hilfe von Verbindungsschichten 41, bei denen es sich beispielsweise um Lotschichten, um Sinterschichten oder um elektrisch leitende Klebeschichten handeln kann. Entsprechende Verbindungsschichten können auch zwischen elektrisch leitenden, metallischen Distanzstücken 40 und der ersten unteren Metallisierungsschicht 12 und/oder der zweiten oberen Metallisierungsschicht 21 vorgesehen sein, um die zur Herstellung elektrisch leitender Verbindungen dienenden Distanzstücke 40 mechanisch und elektrisch leitend anzuschließen. Für weitere elektrisch leitende interne Verbindungen zwischen den Leiterplatten 1 und 2 können noch andere Elemente wie z.B. eine elektrisch leitende Metallfolie 42 eingesetzt werden.
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Die erste Leiterplatte 1 weist außerdem zumindest eine Durchkontaktierung 15 auf, die sich in der vertikalen Richtung v durchgehend durch den Isolationsträger 13 erstreckt. Wie gezeigt kann eine Durchkontaktierung 15 hierbei auch einen Abschnitt 131, 132, 133, 134 der dicken Leiterschicht 13 durchdringen und diesen Abschnitt dabei elektrisch leitend kontaktieren.
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An den Stellen, an denen die Durchkontaktierung 15 auf der Oberseite bzw. der Unterseite des ersten Isolationsträgers 10 austritt, können das austretende Ende der Durchkontaktierung 15 sowie der daran angrenzende Bereich des Isolationsträgers 10 mit einem Abschnitt der ersten oberen Metallisierung 11 bzw. einem Abschnitt der ersten unteren Metallisierung 12 belegt sein, so dass diese Abschnitte mit der Durchkontaktierung 15 und damit mit dem betreffenden Abschnitt 131, 132, 133 oder 134 der dicken Leiterschicht 13 elektrisch leitend verbunden sind. Auf diese Weise kann ein Abschnitt der ersten oberen Metallisierung 11 bzw. der ersten unteren Metallisierung 12 auch zwei oder mehr nebeneinander befindliche Durchkontaktierungen 15 überdecken, kontaktieren und dadurch elektrisch leitend miteinander verbinden.
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Neben ihrer Funktion als elektrisch leitende Verbindungselemente können solche Durchkontaktierungen 15 auch dazu eingesetzt werden, die beim Betrieb des Leistungshalbleitermoduls in den Halbleiterchips 3, 4 anfallende Verlustwärme in Richtung eines ersten Kühlkörpers 51 abzutransportieren. Hierzu können ein oder mehrere Durchkontaktierungen 15 oberhalb des jeweils zu kühlenden Halbleiterchips 3, 4 angeordnet sein. Der erste Kühlkörper 51 wird dazu in thermischen Kontakt mit der den Halbleiterchips 3, 4 abgewandten Seite der ersten Leiterplatte 1 gebracht.
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Bei der gezeigten Anordnung ist der erste Kühlkörper 51 elektrisch isolierend, beispielsweise aus Keramik, um einen Kurzschluss zu vermeiden, da die von ihm kontaktierten Abschnitte der ersten oberen Metallisierungsschicht 11 während des Betriebs des Leistungshalbleitermoduls auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen liegen. Bei anderen Ausgestaltungen, bei denen eine derartige elektrische Isolierung nicht erforderlich ist, kann der erste Kühlkörper 51 auch aus elektrisch leitendem Material, z.B. einem Metall, beispielsweise Kupfer, Aluminium oder einer Legierung mit zumindest einem dieser Metalle, verwendet werden.
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Die zweite Leiterplatte 2 steht auf ihrer der ersten Leiterplatte 1 abgewandten Seite in thermischem Kontakt mit einem zweiten Kühlkörper 52. Ein solcher zweiter Kühlkörper 52 kann generell bei allen Ausgestaltungen der Erfindung vorgesehen sein, auch wenn er in den nachfolgenden vier Figuren nicht dargestellt ist. Der zweite Kühlkörper 52 kann aus elektrisch leitendem Material, beispielsweise Aluminium, Kupfer oder einer Legierung mit zumindest einem dieser Metalle bestehen, da er aufgrund dem als durchgehende dielektrische Schicht ausgebildeten zweiten Isolationsträger 20 gegenüber der zweiten oberen Metallisierungsschicht 21 elektrisch isoliert ist. Gleichwohl kann der zweite Kühlkörper 52 auch aus dielektrischem Material, beispielsweise Keramik, bestehen.
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Die Draufsicht gemäß 3B zeigt außerdem, dass die erste Leiterplatte 1 auf ihrer der zweiten Leiterplatte 2 abgewandten Seite außerhalb des Montagebereichs für den ersten Kühlkörper 51 noch mit einem oder mehreren weiteren elektronischen Bauelementen 5 bestückt sein kann. Die hierzu erforderlichen Leiterbahnen und Leiterflächen sind nicht dargestellt. Bei den weiteren elektronischen Bauteilen kann es sich beispielsweise um integrierte Schaltkreise zur Ansteuerung und/oder Überwachung des Leistungshalbleitermoduls 100 handeln.
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Die Anordnung gemäß 4 entspricht der Anordnung gemäß 3A mit dem einzigen Unterschied, dass anstelle eines einzigen ersten Kühlkörpers 51 zwei erste Kühlkörper 51a und 51b vorgesehen sind, die unterschiedliche Abschnitte der ersten oberen Metallisierungsschicht 11 kontaktieren, die beim Betrieb des Leistungshalbleitermoduls im Allgemeinen auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen liegen. Durch die Verwendung zweier elektrisch voneinander isolierter erster Kühlkörper 51a, 51b können diese jeweils nur mit einem einzigen elektrischen Potential in Kontakt stehen und können dann auch aus elektrisch leitendem Material, wie beispielsweise Kupfer, Aluminium oder einer Legierung mit zumindest einem dieser Metalle, bestehen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5A wird gezeigt, dass die Verbindung zwischen der ersten Leiterplatte 1 und der zweiten Leiterplatte 2 auch als Steckverbindung ausgebildet sein kann. Hierzu ist zumindest ein elektrisch leitender Kontaktpin 6 vorgesehen, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mittels einer Verbindungsschicht 65, z.B. einer Lot-, Sinter- oder elektrisch leitender Klebeschicht, elektrisch leitend mit der zweiten oberen Metallisierungsschicht 21 stoffflüssig verbunden ist. Nach der Herstellung dieser Verbindung kann die erste Leiterplatte 1 auf diesen Kontaktpin 6 aufgesteckt werden. Hierzu ist die erste Leiterplatte 1 mit einem zugehörigen Kontaktloch 7 versehen, in das der Kontaktpin 6 zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung eingesteckt werden kann. Umgekehrt wäre es jedoch auch möglich, dass der Kontaktpin 6 elektrisch leitend und stoffflüssig mit der ersten unteren Metallisierungsschicht 12 der ersten Leiterplatte 1 verbunden ist und dass sich das zugehörige Kontaktloch 7 in der zweiten Leiterplatte 2 befindet. 5B zeigt die Anordnung nach dem Aufstecken der ersten Leiterplatte 1 auf die Kontaktpins 6, 5C nach der nachfolgenden Montage eines ersten Kühlkörpers 51.
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Gemäß einer in 6 gezeigten Ausgestaltung, bei der die erste Leiterplatte 1 in gleicher Weise auf die mit Kontaktpins 6 versehene zweite Leiterplatte 2 aufgesteckt ist, ist ersichtlich, dass die erste Leiterplatte 1 auch zwei dicke Leiterschichten 13a, 13b aufweisen kann, von denen jede, unabhängig von der Dicke der jeweils anderen der dicken Leiterschichten 13b, 13 eine Dicke von wenigstens 100 µm oder von wenigstens 400 µm aufweisen kann. Hiermit lässt sich eine besonders niederinduktive Leiterbahnführung erreichen, wenn entsprechend seitlich aus dem ersten Isolationsträger 10 herausgeführte Abschnitte 34, 35, welche zum Anschluss eines positiven bzw. negativen Betriebspotentials dienen, parallel zueinander und auf der gleichen Seite aus dem Isolationsträger 10 herausgeführt werden. Wie in 6 ebenfalls gezeigt ist, kann der Phasenausgang Ph an einer beliebigen anderen Stelle, beispielsweise auf der den Anschlüssen 34, 35 abgewandten Seite des Isolationsträgers 10, aus dem Isolationsträger 10 herausgeführt sein.
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Wie ebenfalls in 6 gezeigt ist, können sich in der Ebene einer dicken Leiterschicht 13a ein oder mehrere dielektrische Isolationsbereiche 37 befinden. Solche Isolationsbereiche 37 können dazu dienen, Durchkontaktierungen 15 oder Kontaktpins 6 durch die betreffende Leiterschicht 13a hindurch zu führen, ohne diese Leiterschicht 13a elektrisch leitend mit der betreffenden Durchkontaktierung 15 bzw. mit dem betreffenden Kontaktpin 6 zu verbinden.
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Wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 gezeigt ist, kann nicht nur die erste Leiterplatte 1 sondern auch die zweite Leiterplatte 2 als Dickschichtleiterplatte ausgebildet sein, bei der wenigstens eine dicke Metallisierungsschicht 23, die eine Dicke von wenigstens 100 µm oder von wenigstens 400 µm aufweist, ganz oder teilweise in den zweiten Isolationsträger 20 eingebettet ist. Die Kühlung der Halbleiterchips 3, 4 kann wie bereits anhand der ersten Durchkontaktierungen 15 der ersten Leiterplatte 1 durch eine oder mehrere zweite Durchkontaktierungen 25 erfolgen, die sich in der vertikalen Richtung v vollständig durch den zweiten Isolationsträger 20 hindurch erstrecken und auf diese Weise eine durchgehende thermische Verbindung zwischen den einander gegenüberliegenden Seiten des Isolationsträgers 20 ermöglichen. Hierdurch kann die in einem Halbleiterchip 3, 4 anfallende Verlustwärme besonders effizient auf die dem betreffenden Halbleiterchip 3, 4 abgewandte Seite der zweiten Leiterplatte 2 abgeführt werden, indem ein oder mehrere Durchkontaktierungen unterhalb des zu kühlenden Halbleiterchips 3, 4 in der zweiten Leiterplatte 2 angeordnet werden.
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8 zeigt eine Draufsicht auf ein Leistungshalbleitermodul 100, in dem eine Dreiphasen-Halbbrücke entsprechend dem Schaltbild gemäß 2 realisiert ist. Die Spannungsversorgung der drei parallel geschalteten Halbbrücken erfolgt über gemeinsame Versorgungsanschlüsse 34 für den Anschluss eines positiven Betriebspotentials U+ bzw. 35 für den Anschluss eines negativen Betriebspotentials U-.
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Die Phasenausgänge Ph1, Ph2, Ph3 sind separat jeweils senkrecht zur vertikalen Richtung v in lateraler Richtung aus dem ersten Isolationsträger 10 herausgeführt. Bei den Anschlüssen 34, 35, Ph1, Ph2, Ph3 handelt es sich jeweils um Abschnitte einer oder mehrerer dicker Leiterschichten 13, 13a, 13b, 23. Die betreffenden dicken Leiterschichten können in beliebigen Kombinationen in den ersten Isolationsträger 10 und/oder in den zweiten Isolationsträger 20 eingebettet sein.
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Noch eine andere Ausgestaltung eines Halbleitermoduls 100 zeigt 9. In diesem Leistungshalbleitermodul 100 sind drei voneinander unabhängige Halbbrücken realisiert, von denen jede einen Aufbau gemäß dem in 1 gezeigten Schaltbild aufweist. Da die drei Halbbrücken elektrisch voneinander unabhängig sind, besitzt jede dieser Halbbrücken ihre eigenen Anschlüsse 34/35/Ph, 34'/35'/Ph', 34"/35"/Ph", welche jeweils zum Anschluss eines positiven Betriebspotentials U+ (34, 34', 34") dienen, zum Anschluss eines negativen Betriebspotentials U- (35, 35', 35"), bzw. als Phasenausgang Ph, Ph', Ph". Wie gezeigt ist, können sämtliche Anschlüsse zum Anschluss eines Betriebspotentials 34, 35, 34', 35', 34", 35" auf einer Seite und sämtliche Phasenanschlüsse Ph, Ph', Ph" auf der dieser Seite abgewandten Seite des ersten Isolationsträgers 10 seitlich aus diesem herausgeführt sein.
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Gemäß noch einem anderen, in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel soll veranschaulicht werden, dass die Ableitung der in den Halbleiterchips 3, 4 anfallenden Verlustwärme auch mit Hilfe von Inlays 8 erfolgen kann, die in den ersten Isolationsträger 10 und/oder den zweiten Isolationsträger 20 integriert sind. Bei derartigen Inlays handelt es sich um metallische, elektrisch und thermisch gut leitende Einsätze, die fest in dem betreffenden Isolationsträger 10, 20 verankert sind. Aufgrund ihrer im Vergleich zu einfachen Durchkontaktierung 15 bzw. 25 massiven Bauweise eignen sie sich besonders gut zur Ableitung der anfallenden Betriebswärme. In diesein Sinne werden einfache Durchkontaktierungen während der Leiterplattenfertigung beispielsweise galvanisch hergestellt, wobei im Fall von mehreren Durchkontaktierungen einer Leiterplatte zwei, mehr oder alle Durchkontaktierungen parallel in der Leiterplatte erzeugt werden können, wohingegen Inlays separat hergestellt und dann in den Isolationsträger eingesetzt werden.
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Anhand von 11 wird nun eine weitere Ausgestaltung beispielhaft erläutert, die entsprechend bei einem jeden Leistungshalbleitermodul gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen werden kann. 11 zeigt einen Horizontalschnitt durch die dicke erste Leiterschicht 13 und den Isolationsträger 10 der in 3A dargestellten ersten Leiterplatte 1 in einer zur vertikalen Richtung v senkrecht verlaufenden Schnittebene E.
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In dieser Schnittebene E weist die erste dicke Leiterschicht 13, 13a eine Gesamtfläche A13 auf, die durch die Summe der Flächen A131, A132, A133 und A134 sämtlicher Abschnitte 131, 132, 133, 134 der ersten dicken Leiterschicht 13, 13a gegeben ist, welche von der Schnittebene E geschnitten werden. Keinen Beitrag zur Gesamtfläche A13 leisten die Montageöffnungen 36, die Durchkontaktierungen 15 oder eventuell vorhandene Inlays. Bei anderen Ausgestaltungen kann die erste dicke Leiterschicht 13, 13a auch weniger oder mehr als die vorliegend gezeigten vier Abschnitte 131, 132, 133, 134 aufweisen.
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Auf entsprechende Weise besitzt auch der erste Isolationsträger 10 in der Schnittebene E eine Gesamtfläche A10. Abweichend von dem gezeigten Beispiel kann der erste Isolationsträger 10 in der Schnittebene E auch zwei oder mehr voneinander beabstandete Abschnitte aufweisen. In diesem Fall wäre die Gesamtfläche A10 durch die Summe der Flächen sämtlicher Abschnitte des ersten Isolationsträgers 10 gegeben, welche von der Schnittebene E geschnitten werden.
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Zur Verdeutlichung sind in 11 die Flächen A131, A132, A133, A134, die in Summe die Gesamtfläche A13 ergeben einheitlich schraffiert, während die Gesamtfläche A10 eine von dieser Schraffur abweichende Musterung aufweist.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Gesamtfläche A13 ersten dicken Leiterschicht 13 in der Schnittebene E mindestens 25% der Gesamtfläche A10 betragen, die der erste Isolationsträger 10 in dieser Schnittebene E besitzt.
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Generell bestehen bei einer jeden ersten und/oder zweiten Leiterplatte 1, 2 der vorliegenden Erfindung die jeweiligen dicken Leiterschichten 13, 13a, 13b, 23 vollständig oder zu wenigstens 99 Gewichts% aus einem elektrisch gut leitenden Material wie z.B. Kupfer, Aluminium, Silber, Gold, oder einer Legierung mit zumindest einem dieser Metalle.
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Außerdem können die dicken Leiterschichten 13, 13a, 13b, 23 optional mit einer dünnen, beispielsweise galvanisch hergestellten, Beschichtung versehen sein. Solche Beschichtungen können z.B. dazu dienen, die Lötbarkeit zu verbessern, wenn ein aus dem betreffenden Isolationsträger 10, 20 herausgeführter Teilabschnitt der dicken Leiterschicht 13, 13a, 13b, 23 gelötet werden soll. Eine Beschichtung kann auch dazu dienen, die Haftung zwischen der dicken Leiterschicht 13, 13a, 13b, 23 und dem betreffenden Isolationsträger 10, 20 zu verbessern. Grundsätzlich können die dicken Leiterschichten derselben Leiterplatte 1, 2 aus gleichen Materialien hergestellt sein, aber auch aus verschiedenen Materialien, wobei die Materialien verschiedener dicker Leiterschichten beliebig miteinander kombiniert werden können.
