DE102013015956A1 - Leistungsmodul, insbesondere für Kraftfahrzeuge - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul (2), insbesondere Kraftfahrzeugleistungsmodul, mit wenigstens einem Halbleiterchip (4, 4'), der in einer Leiterplatte (16) eingebettet ist, wobei der wenigstens eine Halbleiterchip (4, 4') durch zumindest Teile der Leiterplatte (16) hindurch elektrisch kontaktiert wird, wobei der wenigstens eine Halbleiterchip (4, 4') mit einer Kupferstruktur (DCB) (12, 42) direkt verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul, insbesondere ein Kraftfahrzeugleistungsmodul, mit wenigstens einem Halbleiterchip, der in einer Leiterplatine eingebettet ist, wobei der wenigstens eine Halbleiterchip durch zumindest Teile der Leiterplatte hindurch elektrisch kontaktiert wird.
  • Leistungsmodule der eingangs genannten Art sind im Stand der Technik bekannt. So offenbart beispielsweise die DE 10 2005 032 489 A1 einen Leiterplatten-Mehrschichtaufbau mit einem Schichtstapel aus mehreren elektrisch isolierenden und/oder leitenden Schichten und wenigstens einem passiven oder aktiven elektrischen Bauteil im Inneren des Schichtstapels, wobei das Bauteil zwischen zwei ganzflächige, elektrisch isolierende Flüssigharz-Schichtlagen eingebettet ist.
  • Aus der DE 10 2007 005 233 A1 ist des Weiteren ein Leistungsmodul mit mindestens einem auf einem Substrat angeordneten Halbleiterchip mit nach außen geführten elektrischen Anschlüssen offenbart. Der auf dem Substrat angeordnete Halbleiterchip und teilweise die Anschlüsse sind mit gut wärmeleitendem, elektrisch isolierendem und nach außen abdichtendem Material thermisch eng gekoppelt. Dieses Material ist um den Halbleiterchip mit Substrat derart angeordnet, dass sich ein Flachbaukörper ergibt, der bis auf die Seite mit den nach außen geführten Kontakten mit einem Kühlmedium koppelbar ist.
  • Nachteilig an dem bekannten Stand der Technik ist, dass die einbettenden Materialien eine niedrige Glasübergangstemperatur sowie eine niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzen. Dies bedingt, dass die Leistungskomponenten nur begrenzt belastet werden können, ohne dass das einbettende Material oder das Halbleiterelement Schaden nehmen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Leistungsmodul der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass das Leistungsmodul eine höhere Ausgangsleistung produzieren kann, ohne dass das Leistungsmodul Schaden nimmt.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Leistungsmodul gemäß Anspruch 1. Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Ein erfindungsgemäßes Leistungsmodul, welches insbesondere für Kraftfahrzeuge ausgebildet ist, weist wenigstens einen Halbleiterchip auf, der in eine Leiterplatte eingebettet ist. Ein solcher Halbleiterchip kann ein Leistungselement sein, beispielsweise ein Halbleiterverstärker wie etwa ein Transistor. Die Leiterplatte kann aus an sich bekanntem Material bestehen, beispielsweise aus einem mit Epoxidharz getränktem Glasfasergewebe, auch bekannt unter der Materialbezeichnung FR4.
  • Der Halbleiterchip ist durch zumindest Teile der Leiterplatte hindurch elektrisch kontaktiert. Somit kann der Halbleiterchip vollständig in die Leiterplatte eingebettet sein und dort gegen äußere Einflüsse geschützt werden.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Halbleiterchip mit einer Kupferstruktur direkt verbunden ist. Eine solche Verbindung wird in der Fachsprache auch als ”Direct Copper Bonding” (DCB) bezeichnet. Durch die direkte Verbindung des Halbleiterchips mit der Kupferstruktur wird eine sehr gute Wärmeableitung über die Kupferstruktur ohne isolierende Effekte von Zwischenschichten erreicht. Das erfindungsgemäße Leistungsmodul kann daher mit höheren Leistungen betrieben werden, die höhere Abwärme bedingen und produzieren.
  • Gemäß einer ersten möglichen weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls kann vorgesehen sein, dass zur Kontaktierung des Halbleiterchips in die Leiterplatte Durchkontaktierungen eingebracht sind. Solche Durchkontaktierungen werden in der Fachsprache auch als Vias bezeichnet. Die erfindungsgemäßen Durchkontaktierungen können auf unterschiedliche Weisen eingebracht werden, beispielsweise durch Urformen, Umformen oder materialabtragende Verfahren wie Bohren oder Stanzen. Die Vias sind mit leitendem Material, beispielsweise Kupfer, gefüllt, um eine leitende Verbindung zu dem Halbleiterchip herzustellen. Auf die Durchkontaktierungen wird eine in die Leiterplatte eingebettete Kupferlage angeordnet, die mit einer Kupferstruktur direkt verbunden ist. Die Kupferlage ist dann Teil des stromführenden Systems und ebenfalls der Erwärmung ausgesetzt. Durch die direkte Verbindung mit einer Kupferstruktur (DCB) kann die Wärme der Kupferlage schnell abgeführt werden, sodass die Kupferlage ebenfalls entsprechenden Leistungen standhalten kann. Gemäß einer weiteren möglichen weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls kann vorgesehen sein, dass die Leiterplatte wenigstens einseitig und zumindest teilweise, aber insbesondere vollständig, an zumindest einer Außenseite mit einer Kupferlage bedeckt ist. Dies schützt die Leiterplatte einerseits mechanisch, andererseits führt es zu einer Verteilung der Abwärme über eine große Oberfläche, wodurch die Kühlleistung des Leistungsmoduls erhöht wird.
  • Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls kann wenigstens ein Kühlkörper vorgesehen sein. Der Kühlkörper ist bevorzugt an einer Außenseite des Leistungsmoduls angebracht, gemäß der vorliegend dargestellten Ausführungsform insbesondere direkt auf der Kupferlage. Die Anordnung eines Kühlkörpers erhöht zusätzlich die Kühlwirkung und den Wärmeabtransport und ermöglicht damit einen Betrieb mit höherer Energie bzw. einem kühleren Betrieb.
  • Gemäß einer weiteren möglichen weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Halbleiterchip mit der Kupferstruktur durch Sintern verbunden ist. Dann kann auf Zwischenschichten, die möglicherweise einen Einfluss auf die Wärmeleitung haben könnten, verzichtet werden. Durch Sintern ist eine unmittelbare Verbindung zwischen Halbleiterchip und Kupferstruktur möglich.
  • Gemäß einer weiteren möglichen weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine eingebettete Kupferlage mit der Kupferstruktur durch Sintern verbunden ist. Hierdurch kann auf die Verwendung von möglicherweise den Wärmefluss behindernden Zwischenschichten aus anderem Material, beispielsweise Klebern, verhindert werden. Dies ermöglicht einen besseren Wärmefluss und ebenfalls eine bessere Verbindung zwischen Kupferstruktur und eingebetteter Kupferlage. Dadurch wird die mechanische Stabilität des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls erhöht.
  • Gemäß einer weiteren möglichen weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls kann vorgesehen sein, dass die die Leiterplatte bedeckende Kupferlage(n) mit dem Kühlkörper durch Sintern verbunden sind.
  • Gemäß einer weiteren möglichen weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass wenigstens zwei Halbleiterchips in dem Leistungsmodul vorgesehen sind, die übereinanderliegend angeordnet sind. Übereinanderliegend ist in dem Sinne zu verstehen, dass die beiden Halbleiterchips in einer Projektion größtenteils, bevorzugt vollständig, überlappen. Insbesondere kann eine solche Projektion entlang einer Flächennormalen einer der Außenflächen des Moduls vorgenommen sein. Auf diese Weise lässt sich die Anzahl der Halbleiterchips bei nur geringfügiger Erhöhung der Baugröße verdoppeln, wodurch sich eine höhere Ausgangsleistung mit dem entsprechenden Leistungsmodul erzielen lässt. Dabei ist vorgesehen, dass beide Halbleiterchips mit einer Kupferstruktur direkt verbunden sind. Hierdurch lassen sich die eingangs beschriebenen erfindungsgemäßen Vorteile in Verbindung mit einer Erhöhung der Leistungsdichte erreichen.
  • Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung des zuvor beschriebenen Leistungsmoduls kann vorgesehen sein, dass die wenigstens zwei Halbleiterchips gemeinsam kontaktiert werden. Somit lässt sich die notwendige Anzahl von Leitungen reduzieren. Dies hat einerseits Kostenvorteile, andererseits ist die entsprechende Ausführung konstruktiv einfacher zu gestalten.
  • Gemäß einer möglichen Variante können die Stromleitung mittels einer Kupferlage verwirklicht werden, die zwischen den beiden Halbleiterchips angeordnet ist. Die beiden Halbleiterchips können dann mittels Durchkontaktierungen in der Leiterplatte kontaktiert werden.
  • Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass Kontakte zu dem wenigstens einen Halbleiterchip seitlich herausgeführt werden. Dies erleichtert eine Kontaktierung ohne Verwendung von Bonddrähten. Damit wird eine niedrige Induktivität erreicht.
  • Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls kann vorgesehen sein, dass ein Einpresskontakt verwendet wird, um die Anschlüsse bzw. Kontakte zu dem wenigstens einen Halbleiterchip zu kontaktieren. Auf diese Weise lässt sich der Fertigungsaufwand reduzieren und ein standardisierter Anschluss erreichen.
  • Die Erfindung wird anhand zweier Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen schematisch:
  • 1 einen Querschnitt durch ein Leistungsmodul gemäß einer ersten Ausführungsform sowie
  • 2 einen Querschnitt durch ein Leistungsmodul gemäß einer zweiten Ausführungsform.
  • In den nachfolgenden Figuren werden gleiche oder gleichwirkende Bauteile zur besseren Lesbarkeit mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Leistungsmodul 2.
  • Das Leistungsmodul 2 weist einen Halbleiterchip 4 auf. Der Halbleiterchip 4 ist ein Transistor mit Basis 6, Emitter 8 sowie Kollektor 10.
  • Der Halbleiterchip 4 ist auf eine Kupferstruktur 12 gesintert. Zwischen Halbleiterchip 4 und Kupferstruktur 12 befindet sich eine aus Kupfer bestehende Sinterschicht 14.
  • Der Halbleiterchip 4 sowie die Kupferstruktur 12 sind in eine Leiterplatte 16 eingebettet. Die Leiterplatte 16 besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem epoxidharzgetränkten Glasfasergewebe mit der Materialbezeichnung FR4. In anderen Ausführungsformen kann im Rahmen der Erfindung auch ein anderes Leiterplattenmaterial, beispielsweise FR1 bis 3 oder FR5 verwendet werden.
  • In die Leiterplatte 16 sind mehrere Durchkontaktierungen (Vias) 18 eingebracht, im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch Bohren der Leiterplatte 16. In die Durchkontaktierungen 18 ist leitfähiges Material ausgefüllt, beispielsweise Kupfer in Drahtform.
  • Auf den Durchkontaktierungen 18 ist eine Kupferlage 20 angeordnet, die zusammen mit den Durchkontaktierungen Basis 6, Emitter 8 sowie Kollektor 10 bilden. Auf der Kupferlage 20 befindet sich eine weitere Leiterplattenschicht. Die Leiterplatte 16 kann, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigt, einstückig ausgebildet sein. Die Leiterplatte 16 kann alternativ mehrstückig, z. B. zweistückig ausgebildet sein. Der Unterschied besteht vor allem in der Herstellung eines entsprechenden erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 2, gemäß der ersten Variante muss die entsprechende Kupferstruktur bei der Herstellung der Leiterplatte 16 mit eingebracht sein, in der zweiten Variante kann das Leistungsmodul 2 teilweise durch ein Stapeln der Bauteile hergestellt werden.
  • Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind Emitter 8 und Basis 6 mit einer wetieren Kupferstruktur 22 mittels Sintern verbunden, wodurch sich eine Sinterschicht 24 aus Kupfer ausbildet.
  • Die Leiterplatte 16 und die Kupferstrukturen 12, 22 enden im Wesentlichen plan auf den Flächen 26.1, 26.2.
  • Die Flächen 26.1, 26.2 sind mit Kupferlagen 28.1, 28.2 umgeben. Die Kupferstrukturen 12, 22 sind mit ihren jeweils anliegenden Kupferlagen 28.2, 28.1 verbunden, beispielsweise gesintert.
  • Auf den Kupferlagen 28.1, 28.2 sind Kühlkörper 30, 32 angeordnet, die beispielsweise durch Sintern befestigt sind.
  • Der Halbleiterchip 4 wird mittels eines Einpresskontaktes 34 kontaktiert. Der Einpresskontakt 34 weist Kontakte 36, 38 auf, die beim Einpressen die Kupferlage 28.1, die Leiterplatte 16 sowie die Kupferschicht 20, die eine Kontaktierung zu Basis 6, Emitter 8 und Kollektor 10 herstellt, geschaffen. Der Einpresskontakt 34 weist einen Anschluss 40 auf.
  • Zwischen dem Halbleiterchip 4 und dem Kühlkörper 32 besteht auf der einen Seite über die Kupferstruktur 12 und die Kupferlage 28.2 ein durchgängig sehr gut wärmeleitender Kontakt zwischen einem Abwärme produzierenden Bauteil und einem Kühlkörper. Andererseits besteht zwischen Halbleiterchip 4 und dem Kühlkörper 30 mittels der kupfergefüllten Durchkontaktierungen 18, Kupferlage 20, der Kupferstruktur 22 sowie der Kupferlage 28.1 ein sehr gut wärmeleitender Kontakt. Auf diese Weise ist der Halbleiterchip 4 beiderseits sehr gut wärmeleitend mit außenliegenden Kupferlagen 28.1 sowie 28.2 und mit Kühlkörpern 30, 32 verbunden. Das erfindungsgemäße Leistungsmodul 2 weist daher eine sehr gute Wärmeleitung auf und kann daher viel mehr Abwärme abführen als im Stand der Technik bekannte Leistungsmodule. Die Elemente des Leistungsmoduls 2 werden thermisch geschont und können damit eine hohe Lebensdauer erreichen. Durch die gute Wärmeableitung über die genannten Strukturen wird darüber hinaus das Material der Leiterplatte 16 geschont.
  • 2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung durch ein Leistungsmodul 2' gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Halbleiterchips 4, 4' vorgesehen, die übereinanderliegend angeordnet sind. Die Kontaktierung der Halbleiterchips 4, 4' findet über eine dazwischen liegende Kupferlage 20 sowie Durchkontaktierungen 18, 18' statt. Der Halbleiterchip 4' ist mit einer Kupferstruktur 42 versintert, die ihrerseits auf der gegenüberliegenden Seite mit der Kupferlage 28.1 versintert ist. Auf die Kupferlagen 28.1, 28.2 sind Kühlkörper 30, 32 angeordnet.
  • Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Kupferlagen 28.1, 28.2 nicht über die komplette Fläche der Leiterplatte 16 erstreckt, sondern nur über einen Teil derselben, sodass dieser seitlich frei liegt. Die Kontaktierung der Halbleiterchips 4, 4' findet in dem freiliegenden Bereich der Leiterplatte 16 mittels eines Einpresskontaktes 34 statt.
  • Bezugszeichenliste
    • 2
    Leistungsmodul
    4, 4'
    Halbleiterchip
    6
    Basis
    8
    Emitter
    10
    Kollektor
    12
    Kupferstruktur
    14
    Sinterschicht
    16
    Leiterplatte
    18, 18'
    Durchkontaktierung
    20
    Kupferlage
    22
    Kupferstruktur
    24
    Sinterschicht
    26.1, 26.2
    Flächen
    28.1, 28.2
    Kupferlage
    30, 32
    Kühlkörper
    34
    Einpresskontakt
    36, 38
    Kontakte
    40
    Anschluss
    42
    Kupferstruktur
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102005032489 A1 [0002]
    • DE 102007005233 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Leistungsmodul, insbesondere Kraftfahrzeugleistungsmodul, mit wenigstens einem Halbleiterchip (4, 4'), der in einer Leiterplatte (16) eingebettet ist, wobei der wenigstens eine Halbleiterchip (4, 4') durch zumindest Teile der Leiterplatte (16) hindurch elektrisch kontaktiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Halbleiterchip (4, 4') mit einer Kupferstruktur (DCB) (12, 42) direkt verbunden ist.
  2. Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kontaktierung des wenigstens einen Halbleiterchips (4, 4') in die Leiterplatte (16) Durchkontaktierungen (Vias) (18, 18') eingebracht sind, wobei auf den Durchkontaktierungen (18, 18') eine in die Leiterplatte (16) eingebettete Kupferlage (20) angeordnet ist, die mit einer Kupferstruktur (22) direkt verbunden ist.
  3. Leistungsmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (16) wenigstens einseitig zumindest teilweise, insbesondere vollständig, mit einer Kupferlage (28.1, 28.2) bedeckt ist.
  4. Leistungsmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsmodul (2) wenigstens einen Kühlkörper (30, 32) aufweist.
  5. Leistungsmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Halbleiterchip (4, 4') mit der Kupferstruktur (12, 42) durch Sintern verbunden ist.
  6. Leistungsmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine eingebettete Kupferlage (20) mit der Kupferstruktur (22) durch Sintern verbunden ist.
  7. Leistungsmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Halbleiterchips (4, 4') vorgesehen sind, die übereinanderliegend angeordnet sind, die jeweils mit einer Kupferstruktur (DCB) (12, 42) direkt verbunden sind.
  8. Leistungsmodul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Halbleiterchips (4, 4') gemeinsam kontaktiert werden.
  9. Leistungsmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kontakte (8, 10, 12) zu dem wenigstens einen Halbleiterchip (4, 4') seitlich herausgeführt werden.
  10. Leistungsmodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einpresskontakt (34) vorgesehen ist, der die Kontakte (8, 10, 12) kontaktiert.
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