DE102013215647A1 - Leistungselektronisches Modul und Verfahren zur Herstellung eines leistungselektronischen Moduls - Google Patents
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- H01L2224/32227—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation the layer connector connecting to a bond pad of the item
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Abstract
Leistungselektronisches Modul und Verfahren zur Herstellung eines leistungselektronischen Moduls Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines leistungselektronischen Moduls angegeben mit den Schritten: – Bereitstellung eines Substrats, – Aufbringen wenigstens eines leistungselektronischen Schaltelements mit wenigstens einer Kontaktfläche auf das Substrat, – abwechselndes Aufbringen jeweils wenigstens einer der Schichten: a) isolierende Schicht mit wenigstens einem Fenster im Bereich der Kontaktfläche, b) flächige Metallschicht zur Kontaktierung der Kontaktfläche, – Verbinden des Substrats mit einer Leiterplatte derart, dass die Bauhöhe des Moduls höchstens 10 mm beträgt.
Description
- Die Erfindung betrifft ein leistungselektronisches Modul und ein Verfahren zur Herstellung des leistungselektronischen Moduls.
- Moderne leistungselektronische Module finden den Weg in immer weitere Anwendungsfelder. Beispielsweise erfordern elektrisch betriebene Fahrzeuge das Schalten hoher elektrische Leistungen im Bereich des Antriebs. Um den Abstand zwischen dem leistungselektronischen Modul und beispielsweise einem angesteuerten Motor zu verringern, wird das Modul nahe beim Motor untergebracht. Die Größe des leistungselektronischen Moduls ist dabei stets ein wichtiger Faktor. Bekannte leistungselektronische Module basieren auf einem DCB („direct copper bond“), d.h. einem keramischen Substrat, das beidseitig kupferbeschichtet ist. Darauf sind leistungselektronische Schaltelemente, beispielsweise IGBTs oder andere Transistoren, angebracht. Vom DCB-Substrat abgewandt weisen die leistungselektronischen Schaltelemente teilweise Kontaktflächen auf, die mittels Bonddrähten mit Leiterbahnen oder untereinander verbunden sind. Das DCB-Substrat mit den leistungselektronischen Schaltelementen wird in ein Gehäuse untergebracht, das innen mit Silikon ausgegossen wird. Der so entstehende Aufbau erreicht eine Höhe von typischerweise im Bereich von 1 bis 2 cm. Das so gehäuste DCB-Substrat wird beispielsweise mittels einer Schraubverbindung mit einem Kühlkörper und einer Leiterplatte verbunden. Die thermische Verbindung zum Kühlkörper kann durch die Verwendung von Wärmeleitpasten oder ähnlichem verbessert werden. Die elektrische Verbindung zu den Leiterbahnen auf der Leiterplatte wird beispielsweise über Federkontakte oder über Kontaktstifte erreicht.
- Neben der Kontaktierung über Bonddrähte ist beispielsweise aus der
WO 2003/030247 - Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines leistungselektronischen Moduls anzugeben, das einen verringerten Platzbedarf aufweist. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein ebensolches leistungselektronisches Modul anzugeben.
- Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich des Moduls wird die Aufgabe durch ein leistungselektronisches Modul mit den Merkmalen von Anspruch 10 gelöst. Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und des Moduls sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines leistungselektronischen Moduls umfasst die folgenden Schritte:
- – Bereitstellung eines Substrats,
- – Aufbringen wenigstens eines leistungselektronischen Schaltelements mit wenigstens einer Kontaktfläche auf das Substrat,
- – abwechselndes Aufbringen jeweils wenigstens einer der Schichten: a) isolierende Schicht mit wenigstens einem Fenster im Bereich der Kontaktfläche, b) flächige Metallschicht zur Kontaktierung der Kontaktfläche,
- – Verbinden des Substrats mit einer Leiterplatte derart, dass die Bauhöhe des Moduls höchstens 10 mm beträgt.
- Das erfindungsgemäße leistungselektronische Modul umfasst:
- – ein Substrat mit wenigstens einem leistungselektronischen Schaltelement mit wenigstens einer Kontaktfläche,
- – eine abwechselnden Folge auf dem Substrat von jeweils wenigstens einer der Schichten: a) isolierende Schicht mit wenigstens einem Fenster im Bereich der Kontaktfläche, b) flächige Metallschicht zur Kontaktierung der Kontaktfläche,
- – eine mit dem Substrat verbundene Leiterplatte. Dabei beträgt die Bauhöhe des Moduls höchstens 10 mm.
- Als Substrat wird zweckmäßig ein DCB-Substrat verwendet. Die isolierende Schicht und die flächige Metallschicht können in beliebiger Reihenfolge auf das Substrat und die leistungselektronischen Schaltelemente aufgebracht werden, es kann also zuerst die isolierende Schicht oder zuerst die Metallschicht aufgebracht werden. Eine der beiden Schicht oder beide können auch mehrfach aufgebracht werden, wobei es zweckmäßig ist, wenn die Aufbringung abwechselnd erfolgt. Beispielsweise kann auf dem Substrat und den leistungselektronischen Schaltelemente zuerst eine isolierende Schicht, dann eine leitende Metallschicht und dann wiederum eine isolierende Schicht aufgebracht sein.
- Bei bekannten Aufbauten wird üblicherweise eine Kontaktierung mittels Bonddrähten für leistungselektronische Module verwendet. Die Bonddrähte werden zur Vermeidung elektrischer Überschläge und zur mechanischen Stabilisierung in Silikon eingegossen. Für das Vergießen wird der Aufbau typischerweise in ein Gehäuse untergebracht. Dies bedingt einen Materialverbrauch für die Einhausung sowie eine gewisse Mindestbauhöhe von etwa 15 mm.
- Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren bzw. Modul werden dagegen flächige Leiterbahnen verwendet. Dadurch bedingt kann ein Vergießen mit Silikon unterbleiben, da die Vermeidung elektrischer Überschläge durch die isolierende Schicht unterstützt wird und ansonsten unnötig ist und keine zusätzliche mechanische Stabilisierung notwendig ist. Das spart einen Arbeitsschritt und das entsprechende Material für das Vergießen und das Gehäuse. Weiterhin ist die verringerte Bauhöhe von Vorteil, da bei vermindertem Platzbedarf das elektronische Modul je nach Anwendung vorteilhaft platziert werden kann. Beispielsweise ist im Falle von elektrisch betriebenen Fahrzeugen eine Platzierung in einem Radnabenmotor möglich. Das sorgt für kürzere Ansteuerwege, die aufgrund verringerter Induktivität der Verbindung ein schnelleres Schalten ermöglichen.
- Im Folgenden werden Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben:
- – Das Verbinden des Substrats mit einer Leiterplatte kann derart erfolgen, dass die Bauhöhe des Aufbaus höchstens 6 mm beträgt. Der Aufbau wird dadurch noch kleiner und lässt sich daher vorteilhafter platzieren.
- – Das Verbinden des Substrats mit der Leiterplatte kann derart erfolgen, dass die Leiterplatte in direktem mechanischen Kontakt mit der obersten Metallschicht oder isolierenden Schicht steht. Mit anderen Worten wird zwischen der obersten Schicht und der Leiterplatte kein Abstand mehr belassen. Dadurch wird die Bauhöhe des Moduls verringert. Es ist möglich, dabei einen direkten elektrischen Kontakt zwischen der Leiterplatte und einer der flächigen Metallschichten zu bewirken.
- – Für die elektrische Kontaktierung der Leiterplatte können Stifte auf die oberste Metallschicht oder isolierende Schicht aufgebracht werden. Die Stifte stehen zweckmäßig in elektrischer Verbindung mit der oder den Kontaktflächen und/oder der Metallschicht. Dabei kann beispielsweise auch die isolierende Schicht durchstoßen werden.
- – Das Substrat kann mit einem Kühlkörper verbunden werden, beispielsweise über eine Sinterverbindung. Das passiert zweckmäßigerweise auf der der Leiterplatte abgewandten Seite.
- – Die isolierende Schicht ist beispielsweise eine Polyimidbasierte Folie. Diese kann auflaminiert werden. Bevorzugt wird dabei eine Folie mit einer Dicke von 25 bis 100 µm verwendet. Um eine elektrische Kontaktierung durch die isolierende Schicht hindurch zu ermöglichen, wird diese bevorzugt mit Fenstern versehen, die zweckmäßig im Bereich der Kontaktfläche sind. Diese können beispielsweise mittels Laserablation erzeugt werden oder aber bereits vor der Laminierung in die Schicht eingebracht sein.
- – Die Metallschicht kann in mehreren übereinander angeordneten Teilschichten aus unterschiedlichem, elektrisch leitendem Material aufgebracht werden. Dabei kann beispielsweise eine erste Teilschicht mittels eines Prozesses der Dünnschichttechnologie, beispielsweise Sputtern oder Elektronenstrahlverdampfung aufgebracht werden. Eine obere Teilschicht wird auf die erste Teilschicht durch galvanisches Aufwachsen aufgebracht. Die Metallschicht, insbesondere die obere Teilschicht besteht bevorzugt aus Kupfer.
- Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Dabei zeigen die Figuren Schritte der Herstellung eines leistungselektronischen Moduls mit einer flächigen elektrischen Kontaktierung.
-
1 zeigt einen ersten Schritt101 der Herstellung eines leistungselektronischen Moduls mit geringer Bauhöhe. - Bei dem ersten Schritt
101 wird ein DCB-Substrat10 bereitgestellt und mittels eines Sintervorgangs auf einem Kühlkörper20 befestigt. Weiterhin werden leistungselektronische Schalter30 auf dem DCB-Substrat10 angeordnet, beispielsweise aufgelötet. Ein Teil der leistungselektronischen Schalter30 weist auf der Oberseite, d.h. vom Kühlkörper20 abgewandt, Kontaktflächen31 auf. Bei den leistungselektronischen Schaltern30 handelt es sich in diesem Beispiel um Transistoren. Bei diesen ist die Kontaktfläche auf der unteren Oberfläche des Chips, also dem DCB-Substrat10 zugewandt, die Kontaktfläche eines Kollektor- bzw. Drainkontaktes, während die Kontaktfläche31 auf der oberen Oberfläche des Chips ein Emitter- bzw. Sourcekontakt ist. - Der darauf folgende zweite Schritt
102 ist in2 dargestellt. Bei diesem zweiten Schritt102 wird die oberseitige elektrische Kontaktierung der Kontaktflächen31 vorgenommen. - Dazu wird auf die Oberfläche des DCB-Substrats
10 und die Oberflächen der leistungselektronischen Schalter30 eine Folie40 aus elektrisch isolierendem Polyimidmaterial unter Vakuum auflaminiert, so dass die Folie40 die bezeichneten Oberflächen und Kontaktflächen31 eng anliegend bedeckt und auf diesen haftet. Zur besseren Haftung folgt dem ein Temperschritt. Typische Dicken der Folie40 liegen im Bereich von 25 bis 100 µm, wobei größere Dicken auch aus Schichtenfolgen von dünneren Folien40 erreicht werden können. Damit lassen sich vorteilhafterweise Isolationsfeldstärken im kV-Bereich realisieren. Sodann werden die zu kontaktierenden Kontaktflächen31 durch Öffnen jeweiliger Fenster41 in der Folie40 freigelegt. Das Öffnen dieser Fenster erfolgt in diesem Beispiel durch Abtragen nach dem Auflaminieren, beispielsweise mittels Laserablation. Dazu wird vorzugsweise ein CO2-Laser mit einer Wellenlänge von 9,24 µm verwendet. Das Öffnen der Fenster erfolgt dabei vorteilhaft ohne eine Beschädigung eines eventuell unter der Schicht aus isolierendem Material liegenden Chipkontakts aus Aluminium, Gold oder Kupfer. - Danach werden die freigelegten Kontaktflächen
31 mit einer Metallschicht50 , vorzugsweise aus Kupfer, flächig kontaktiert. Dafür kann beispielsweise die Metallschicht50 ganzflächig sowohl auf jede Kontaktfläche31 als auch auf die vom DCB-Substrat10 abgekehrte obere Oberfläche der Folie40 aufgebracht und danach beispielsweise fotolithographisch so strukturiert werden, dass jede Kontaktfläche31 flächig kontaktiert bleibt und außerhalb der Kontaktflächen31 Leiterbahnen entstehen. - Für den semiadditiven Aufbau werden folgende Prozessschritte durchgeführt:
- i) Sputtern einer Ti-Haftschicht von ca. 100 nm Dicke und einer Cu-Leitschicht von ca. 200 nm Dicke,
- ii) Fotolithographie unter Verwendung dicker Lackschichten oder von Fotofolien,
- iii) Galvanische Verstärkung der freientwickelten Bereiche. Hier sind Schichtdicken bis 100 µm möglich,
- iv) Lackentschichtung und Differenzätzen von Cu und Ti.
- Um eine komplexe Verschaltung zu erreichen, ist es möglich, den Aufbau aus Folie
40 und Metallschicht50 zu vervielfachen, d.h. auf die Metallschicht50 wird eine weitere Folie40 auflaminiert. Diese kann, muss aber nicht, von einer weiteren Metallschicht50 bedeckt werden. - In einem dritten Schritt
103 werden Stifte60 auf den bisherigen Aufbau aufgepresst oder angeschweißt. Dabei wird ggfs. die Folie40 durchstoßen, um einen elektrischen Kontakt zu erreichen. Dadurch ist das eigentliche Leistungsmodul fertiggestellt. Ein Vergießen mit Silikon ist nicht erforderlich. Dadurch entfällt an dieser Stelle auch die Verwendung eines Gehäuses. - In einem vierten Schritt
104 wird das fertige Leistungsmodul auf eine Leiterplatte70 gesteckt und befestigt, beispielsweise über einen Schraubkontakt. In der Endmontage105 wird das gesamte leistungselektronische Modul90 mit Leiterplatte70 mit einem Gehäuse80 versehen. - 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
-
- WO 2003/030247 [0003]
Claims (11)
- Verfahren zur Herstellung eines leistungselektronischen Moduls (
90 ) mit den Schritten: – Bereitstellung eines Substrats (10 ), – Aufbringen (101 ) wenigstens eines leistungselektronischen Schaltelements (30 ) mit wenigstens einer Kontaktfläche (31 ) auf das Substrat (10 ), – abwechselndes Aufbringen (102 ) jeweils wenigstens einer der Schichten: a) isolierende Schicht (40 ) mit wenigstens einem Fenster im Bereich der Kontaktfläche (31 ), b) flächige Metallschicht (50 ) zur Kontaktierung der Kontaktfläche (31 ), – Verbinden (104 ) des Substrats (10 ) mit einer Leiterplatte (70 ) derart, dass die Bauhöhe des Moduls (90 ) höchstens 10 mm beträgt. - Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Verbinden (
104 ) des Substrats (10 ) mit der Leiterplatte (70 ) derart erfolgt, dass die Bauhöhe des Moduls (90 ) höchstens 6 mm beträgt. - Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Verbinden (
104 ) des Substrats (10 ) mit der Leiterplatte (70 ) derart erfolgt, dass die Leiterplatte (70 ) in direktem mechanischen Kontakt mit der obersten Metallschicht (50 ) oder isolierenden Schicht (40 ) steht. - Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit dem zusätzlichen Schritt: – Aufbringen (
103 ) von Stiften (60 ) zur Kontaktierung der Leiterplatte (70 ) auf die oberste Metallschicht (50 ) oder isolierende Schicht (40 ). - Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit dem zusätzlichen Schritt: – Verbinden (
101 ) des Substrats mit einem Kühlkörper (20 ). - Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem das Substrat (
10 ) auf den Kühlkörper (20 ) mit einer Sinterverbindung aufgebracht wird. - Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die isolierende Schicht (
40 ) auflaminiert wird. - Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem als isolierende Schicht (
40 ) eine Folie (40 ) mit einer Dicke von 25 bis 100 µm verwendet wird. - Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Metallschicht (
50 ) in mehreren übereinander angeordneten Teilschichten aus unterschiedlichem, elektrisch leitendem Material aufgebracht wird, wobei eine obere Teilschicht durch galvanisches Aufwachsen aufgebracht wird. - Leistungselektronisches Modul (
90 ), umfassend: – ein Substrat (10 ) mit wenigstens einem leistungselektronischen Schaltelement (30 ) mit wenigstens einer Kontaktfläche (31 ), – einer abwechselnden Folge auf dem Substrat (10 ) von jeweils wenigstens einer der Schichten: a) isolierende Schicht (40 ) mit wenigstens einem Fenster im Bereich der Kontaktfläche (31 ), b) flächige Metallschicht (50 ) zur Kontaktierung der Kontaktfläche (31 ), – einer mit dem Substrat (10 ) verbundenen Leiterplatte (70 ), dadurch gekennzeichnet, dass die Bauhöhe des Moduls (90 ) höchstens 10 mm beträgt. - Leistungselektronisches Modul (
90 ) gemäß Anspruch 10, bei dem die Bauhöhe höchstens 6 mm beträgt.
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DE102021110251A1 (de) | 2021-04-22 | 2022-10-27 | Sma Solar Technology Ag | Leistungshalbleiteranordnung und wechselrichterbrücke mit leistungshalbleiteranordnung |
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-
2013
- 2013-08-08 DE DE102013215647.2A patent/DE102013215647A1/de not_active Withdrawn
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