DE102014116382A1 - Halbleitergehäuse mit zwei Halbleitermodulen und sich seitlich erstreckenden Verbindern - Google Patents
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Abstract
Ein Halbleitergehäuse umfasst einen Formkörper, der eine erste Hauptfläche, eine der ersten Hauptfläche entgegengesetzte zweite Hauptfläche und Seitenflächen aufweist, welche die erste und zweite Hauptfläche verbinden; ein erstes Halbleitermodul, das eine Vielzahl von ersten Halbleiterchips und eine erste Einkapselungsschicht umfasst, die über den ersten Halbleiterchips angeordnet ist; und ein zweites Halbleitermodul, das über dem ersten Halbleitermodul angeordnet ist. Das zweite Halbleitermodul umfasst eine Vielzahl von zweiten Halbleiterkanälen und eine zweite Einkapselungsschicht, die über den zweiten Halbleiterkanälen angeordnet ist. Das Halbleitergehäuse umfasst ferner eine Vielzahl von externen Verbindern, die sich durch eine oder mehrere der Seitenflächen des Formkörpers erstrecken.
Description
- TECHNISCHES GEBIET
- Hier beschriebene Beispiele beziehen sich allgemein auf Halbleitergehäuse (Halbleiterpackages) und insbesondere auf Halbleitergehäuse wie jene, die ein Halbleiter-Transistormodul und ein Halbleiter-Treibermodul umfassen, und auf ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitergehäuses.
- HINTERGRUND
- In vielen elektronischen Systemen ist es notwendig, Wandler, wie WS/WS-Wandler, WS/GS-Wandler, GS/WS-Wandler oder Frequenzwandler einzusetzen, um die Ströme, Spannungen und/oder Frequenzen zu generieren, die von einer elektronischen Schaltung zu verwenden sind, wie beispielsweise einer Motortreiberschaltung. Die wie vorher angegebenen Wandlerschaltungen umfassen typischerweise eine oder mehrere Halbbrückenschaltungen, die jeweils von zwei Halbleiter-Leistungssschaltern vorgesehen werden, wie z.B. Leistungs-MOSFET-Vorrichtungen, und weitere Bauteile, wie Dioden, die mit den Transistorvorrichtungen parallel geschaltet sind, und passive Bauteile, wie eine Induktivität und eine Kapazität. Das Schalten der Leistungs-MOSFET-Vorrichtungen kann von einem oder mehreren Halbleiter-Treiberchips gesteuert werden. Die Anordnung der Wandlerschaltung und die Anordnung der Halbleiter-Treiberchips und auch der in diesen Anordnungen enthaltenen einzelnen Bauteile können prinzipiell als einzelne Bauteile vorgesehen werden, die auf einer Leiterplatte (PCB) montiert werden. Es besteht jedoch eine allgemeine Tendenz dazu, Platz auf der PCB zu sparen und daher integrierte Halbleitervorrichtungen vorzusehen, die kurze Zwischenverbindungen zwischen den einzelnen Bauteilen aufweisen, um Schaltverluste und parasitäre Induktivitäten zu reduzieren.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Die beigeschlossenen Zeichnungen sind eingeschlossen, um ein besseres Verständnis von Beispielen zu bieten, und sind in dieser Beschreibung enthalten und bilden einen Teil davon. Die Zeichnungen veranschaulichen Beispiele und dienen gemeinsam mit der Beschreibung der Erläuterung von Prinzipien von Beispielen. Andere Beispiele und viele der beabsichtigten Vorteile von Beispielen werden leicht ersichtlich, da sie mit Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung besser verständlich werden. Die Elemente der Zeichnungen sind relativ zueinander nicht unbedingt maßstabsgetreu. Ähnliche Bezugszahlen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.
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1 zeigt eine schematische seitliche Schnittansichtsdarstellung eines Halbleitergehäuses gemäß einem Beispiel. -
2 zeigt eine schematische Schaltungsdarstellung einer Halbleiter-Wandlerschaltung und einer Halbleiter-Treiberschaltung, die mit der Halbleiter-Wandlerschaltung verbunden ist. -
3A , B und C zeigen eine perspektivische Darstellung (3A ), eine weitere perspektivische Darstellung (3B ) und eine seitliche Schnittansichtsdarstellung (3C ) eines Halbleitergehäuses gemäß einem Beispiel. - DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
- Die Aspekte und Beispiele werden nun mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen ähnliche Bezugszahlen allgemein verwendet werden, um sich durchgehend auf ähnliche Elemente zu beziehen. In der folgenden Beschreibung werden zur Erläuterung zahlreiche spezifische Details angegeben, um ein grundlegendes Verständnis eines oder mehrerer Aspekte der Beispiele zu bieten. Es kann jedoch für Fachleute klar sein, dass ein oder mehrere Aspekte der Beispiele mit einem geringeren Grad an spezifischen Details praktiziert werden kann. In anderen Fällen sind bekannte Strukturen und Elemente in schematischer Form gezeigt, um die Beschreibung eines oder mehrerer Aspekte der Beispiele zu erleichtern. Es ist davon auszugehen, dass andere Beispiele verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es ist ferner zu beachten, dass die Zeichnungen nicht maßstabsgetreu oder nicht unbedingt maßstabsgetreu sind.
- In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigeschlossenen Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil davon bilden, und in welchen zur Veranschaulichung spezifische Aspekte gezeigt werden, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. In dieser Hinsicht kann direktionale Terminologie, wie „Oberseite“, „Boden“, „vorne“, „hinten“, etc., mit Bezugnahme auf die Orientierung der Figuren verwendet werden, die beschrieben werden. Da Bauteile beschriebener Vorrichtungen in einer Reihe unterschiedlicher Orientierungen positioniert werden können, kann die direktionale Terminologie zur Veranschaulichung verwendet werden und ist in keiner Weise einschränkend. Es ist klar, dass andere Aspekte verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende detaillierte Beschreibung ist daher nicht im einschränkenden Sinn auszulegen, und der Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die beigeschlossenen Ansprüche definiert.
- Obwohl ein bestimmtes Merkmal oder ein Aspekt eines Beispiels in Bezug auf nur eine von einigen Implementierungen offenbart sein kann, kann zusätzlich ein derartiges Merkmal oder ein Aspekt mit einem oder mehreren anderen Merkmalen oder Aspekten der anderen Implementierungen kombiniert werden, wie gewünscht und für eine beliebige gegebene oder bestimmte Anwendung vorteilhaft sein kann. In dem Ausmaß, in dem die Ausdrücke „umfassen“, „aufweisen“, „mit“ oder anderen Varianten davon entweder in der detaillierten Beschreibung oder den Ansprüchen verwendet werden, sollen ferner solche Ausdrücke in einer Weise einschließend sein ähnlich dem Ausdruck „umfassen“. Die Ausdrücke „gekoppelt“ und „verbunden“, gemeinsam mit Derivaten davon, können verwendet werden. Es ist zu verstehen, dass die Ausdrücke verwendet werden können, um anzuzeigen, dass zwei Elemente zusammenwirken oder miteinander interagieren, ungeachtet davon, ob sie in direktem physischen oder elektrischen Kontakt stehen, oder ob sie nicht in direktem Kontakt miteinander stehen. Der Ausdruck „beispielhaft“ soll auch nur als Beispiel bedeuten anstatt am besten oder optimal. Die folgende detaillierte Beschreibung ist daher nicht in einem einschränkenden Sinn auszulegen, und der Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die beigeschlossenen Ansprüche definiert.
- Die Beispiele eines Halbleitergehäuses und eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbleitergehäuses können verschiedene Typen von Transistorvorrichtungen verwenden. Die Beispiele können Transistorvorrichtungen verwenden, die in Halbleiterdies (auch als Halbleiter-Nacktchips bezeichnet) oder Halbleiterchips verkörpert werden, wobei die Halbleiter-Nacktchips oder -chips in einer Form eines Blocks von Halbleitermaterial vorgesehen werden können, wie aus einem Halbleiter-Wafer hergestellt und aus dem Halbleiter-Wafer geschnitten, oder in einer anderen Form, in der weitere Prozessschritte durchgeführt wurden, wie beispielsweise das Aufbringen einer Einkapselungsschicht auf dem Halbleiter-Nacktchip oder Halbleiterchip. Die Beispiele können auch horizontale oder vertikale Transistorvorrichtungen verwenden, in denen jene Strukturen in einer Form vorgesehen werden können, in der alle Kontaktelemente der Transistorvorrichtung auf einer der Hauptflächen des Halbleiter-Nacktchips vorgesehen sind (horizontale Transistorstrukturen), oder in einer Form, in der wenigstens ein elektrisches Kontaktelement auf einer ersten Hauptfläche des Halbleiter-Nacktchips angeordnet ist, und wenigstens ein anderes elektrische Kontaktelement auf einer zweiten Hauptfläche gegenüber der Hauptfläche des Halbleiter-Nacktchips angeordnet ist (vertikale Transistorstrukturen), wie beispielsweise MOS-Transistorstrukturen oder IGBT-(Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode)Strukturen. Soweit die Transistorchips als Leistungstransistorchips ausgelegt sind, können die Beispiele eines weiter unten geoffenbarten Halbleitergehäuses als intelligente Leistungsmodule (IPM) klassifiziert werden.
- In jedem Fall können die Halbleiter-Nacktchips oder Halbleiterchips Kontaktelemente oder Kontaktstellen auf einer oder mehrerer ihrer Außenflächen umfassen, wobei die Kontaktelemente zum elektrischen Inkontaktbringen der Halbleiter-Nacktchips dienen. Die Kontaktelemente können eine beliebige gewünschte Form oder Gestalt haben. Sie können beispielsweise die Form von Kontaktstegen haben, d.h. flachen Kontaktschichten auf einer Außenfläche des Halbleiter-Nacktchips. Die Kontaktelemente oder Kontaktstellen können aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt sein, z.B. aus einem Metall wie Aluminium, Gold oder Kupfer, oder beispielsweise einer Metalllegierung, oder einem elektrisch leitfähigen organischen Material, oder einem elektrisch leitfähigen Halbleitermaterial. Die Kontaktelemente können auch als Schichtstapel eines oder mehrerer der oben angegebenen Materialien gebildet sein.
- Die Beispiele eines Halbleitergehäuses können ein Einkapselungsmittel oder Einkapselungsmaterial mit den Halbleiter-Transistorchips und dem wenigstens einen Halbleiter-Treiberchip darin eingebettet umfassen. Das Einkapselungsmaterial kann ein beliebiges elektrisch isolierendes Material sein, wie beispielsweise eine beliebige Art eines Formmaterials, eine beliebige Art eines Harzmaterials oder eine beliebige Art eines Epoxymaterials. Das Einkapselungsmaterial kann auch ein Polymermaterial, ein Polyimidmaterial, ein thermoplastisches Material, ein Silikonmaterial, ein Keramikmaterial und ein Glasmaterial sein. Das Einkapselungsmaterial kann auch ein beliebiges der oben angegebenen Materialien umfassen und ferner Füllmaterialien umfassen, die darin eingebettet sind, wie beispielsweise wärmeleitfähige Inkremente. Diese Füllinkremente können beispielsweise aus AlO oder Al2O3, AlN, BN oder SiN bestehen. Ferner können die Füllinkremente die Form von Fasern haben und beispielsweise aus Carbon-Fasern oder Nanoröhren bestehen. Die Beispiele eines Halbleitergehäuses können auch zwei unterschiedliche Einkapselungsmaterialien umfassen, von denen eines die Halbleiter-Transistorchips darin eingebettet aufweist, und von denen das andere den wenigstens einen Halbleiter-Treiberchip darin eingebettet aufweist.
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1 zeigt eine seitliche Schnittansichtsdarstellung eines Halbleitergehäuses gemäß einem Beispiel. Das Halbleitergehäuse100 umfasst einen Formkörper1 , der eine erste Hauptfläche1A , eine der ersten Hauptfläche1A entgegensetzte zweite Hauptfläche1B und Seitenflächen1C umfasst, welche die erste und zweite Hauptfläche1A und1B verbinden. Das Halbleitergehäuse100 umfasst ferner ein erstes Halbleitermodul10 und ein zweites Halbleitermodul20 , das über dem ersten Halbleitermodul10 angeordnet ist. Das erste Halbleitermodul10 kann eine erste (untere) Hauptfläche10A , eine der ersten Hauptfläche10A entgegengesetzte zweite (obere) Hauptfläche10B und Seitenflächen10C umfassen, welche die erste und zweite Hauptfläche10A und10B verbinden. Im Fall einer rechteckigen oder Würfelform des ersten Halbleitermoduls10 umfasst das erste Halbleitermodul10 vier Seitenflächen10C . Wie vorstehend angegeben, ist das zweite Halbleitermodul20 über dem ersten Halbleitermodul angeordnet. Wie in1 gezeigt, kann „über“ eine Bedeutung haben, dass die zweite Einkapselungsschicht22 des zweiten Halbleitermoduls20 die erste Einkapselungsschicht12 auf seiner zweiten Hauptfläche10B und auf seinen Seitenflächen10C bedeckt, insbesondere direkt an der zweiten Hauptfläche10B und den Seitenflächen10C angebracht ist, und die untere Fläche der zweiten Einkapselungsschicht22 mit der ersten Hauptfläche10A des ersten Halbleitermoduls10 bündig ist. „Über“ kann auch eine andere Bedeutung haben, nämlich dass die zweite Einkapselungsschicht22 des zweiten Halbleitermoduls20 nur die zweite Hauptfläche10B bedeckt, aber nicht die Seitenflächen10C des ersten Halbleitermoduls10 . - Das erste Halbleitermodul
10 umfasst eine Vielzahl von ersten Halbleiterchips11 und eine erste Einkapselungsschicht12 , die über den ersten Halbleiterchips11 angeordnet ist. Das zweite Halbleitermodul20 kann eine Vielzahl von zweiten Halbleiterchips21 und eine zweite Einkapselungsschicht22 umfassen, die über den zweiten Halbleiterchips21 angeordnet ist. Die zweiten Halbleiterchips21 können mit den ersten Halbleiterchips11 elektrisch verbunden sein. Die ersten Halbleiterchips11 können aus Halbleiter-Transistorchips11 bestehen, und die zweiten Halbleiterchips21 können aus Halbleiter-Treiberchips21 bestehen. Die Halbleiter-Treiberchips21 können mit Steuerelektroden, d.h. Gate-Elektroden, der Halbleiter-Transistorchips11 elektrisch verbunden sein, und die Halbleiter-Treiberchips21 können ausgelegt sein, die Halbleiter-Transistorchips11 zu treiben. - Ferner ist zu beachten, dass anstelle der Vielzahl getrennter Halbleiter-Treiberchips
21 , wie in1 gezeigt, auch ein einzelner Halbleiter-Treiberchip vorgesehen sein kann, wobei der einzelne Halbleiter-Treiberchip eine Vielzahl von Halbleiter-Treiberkanälen umfasst, die auf dem einzelnen Halbleiter-Treiberchip integriert sind. Hier sollen für den Zweck dieser Anmeldung die Ausdrücke „Halbleiter-Treiberkanäle21 “ und „Halbleiter-Treiberchips21 “ im obigen Sinn austauschbar sein. - Das Halbleitergehäuse
100 umfasst außerdem eine Vielzahl von externen Verbindern30 , die sich durch die Seitenflächen1C des Formkörpers1 erstrecken. In1 sind die externen Verbinder30 gezeigt, wie sie jeweils durch die Seitenflächen1C in einem oberen Teil der Seitenflächen1C hindurchgehen. Ein Beispiel eines weiter unten beschriebenen Halbleitergehäuses zeigt jedoch, dass die externen Verbinder auch durch die Seitenflächen an einem oder rund um ein Zentrum oder einen zentralen Teil der Seitenflächen1C hindurchgehen können. - Gemäß einem Beispiel des Halbleitergehäuses
100 können die externen Verbinder30 in zwei Gruppen geteilt werden. Eine erste Gruppe der externen Verbinder30 kann mit dem ersten Halbleitermodul10 elektrisch verbunden sein, und eine zweite Gruppe der externen Verbinder30 kann mit dem zweiten Halbleitermodul20 elektrisch verbunden sein.1 zeigt zwei externe Verbinder30 . Der auf der linken Seite von1 gezeigte externe Verbinder30 ist mit dem zweiten Halbleitermodul20 elektrisch verbunden, und der auf der rechten Seite von1 gezeigte externe Verbinder30 ist mit dem ersten Halbleitermodul10 elektrisch verbunden. Für diesen Zweck können alle externen Verbinder30 mit dem zweiten Halbleitermodul20 mechanisch verbunden sein, wobei das zweite Halbleitermodul20 eine Leiterplatte23 umfassen kann, und die externen Verbinder30 mit der Leiterplatte23 mechanisch verbunden sein können. Die Leiterplatte23 kann Durchkontaktierungsverbindungen23.1 umfassen, und die erste Gruppe der externen Verbinder30 kann mit den Durchkontaktierungsverbindungen23.1 verbunden sein, um mit dem ersten Halbleitermodul10 verbunden werden zu können. - Gemäß einem Beispiel des Halbleitergehäuses
100 von1 umfasst jeder einzelne der externen Verbinder30 einen ersten horizontalen Teil, der hauptsächlich innerhalb des Formkörpers1 angeordnet ist, und einen zweiten vertikalen Teil, der außerhalb des Formkörpers1 angeordnet ist, wobei der zweite Teil in einem rechten Winkel in Bezug auf den ersten Teil gebogen ist. Gemäß einem Beispiel liegen die ersten Teile aller der externen Verbinder30 in ein und derselben Ebene. Gemäß einem Beispiel umfassen die zweiten Teile der externen Verbinder30 eine oder mehrere von einer gleichen Richtung und gleichen Länge. Letzteres bedeutet, dass die äußeren Endteile der externen Verbinder in ein und derselben Ebene liegen. Gemäß der Darstellung in1 ist der zweite Teil der externen Verbinder30 in einem rechten Winkel gebogen. Es ist jedoch hinzuzufügen, dass der zweite Teil auch in einem anderen Winkel gebogen sein kann, und einige oder alle der externen Verbinder30 überhaupt nicht gebogen sein müssen, und die zweiten Teile der externen Verbinder30 in einem anderen und mit anderen Winkeln gebogen sein können. - Gemäß einem Beispiel des Halbleitergehäuses umfasst der Hauptkörper
1 zwei vertikale Durchgangslöcher (in1 nicht gezeigt), die in zwei entgegengesetzten Seitenkanten des Formkörpers1 gebildet sind, wobei sich jedes einzelne der zwei Durchgangslöcher von der ersten Hauptfläche des Formkörpers zur zweiten Hauptfläche des Formkörpers erstreckt. Der Zweck dieser beiden Durchgangslöcher ist, das Halbleitergehäuse an einem Substrat zu fixieren, wie beispielsweise einem Wärmeverteiler, mittels Schrauben, die in die Durchgangslöcher eingesetzt werden. - Gemäß einem Beispiel des Halbleitergehäuses
100 von1 umfasst das erste Halbleitermodul10 einen Träger13 . Gemäß einem Beispiel umfasst der Träger13 ein Substrat13A , das eine isolierende, dielektrische oder keramische Schicht oder Platte, und eine erste metallische Schicht13B auf einer unteren Fläche des Substrats13A und eine zweite metallische Schicht13C auf einer oberen Fläche des Substrats13A umfasst. Gemäß einem Beispiel kann der Träger13 eines oder mehrere von einem direkt kupfergebondeten (DCB) Substrat, einem direkt aluminiumgebondeten (DAB) Substrat und einem mit einem aktiven Metall hartgelöteten Substrat umfassen, wobei das Substrat eine keramische Schicht, insbesondere eines oder mehrere von AlO, AlN, Al2O3, oder eine dielektrische Schicht, insbesondere Si3N4, umfassen kann. Gemäß einem Beispiel kann der Träger13 eine erste obere Fläche, eine zweite untere Fläche gegenüber der ersten oberen Fläche und Seitenflächen umfassen, welche die erste und zweite Fläche verbinden, wobei die erste Einkapselungsschicht12 die erste obere Fläche und die Seitenflächen des Trägers13 bedecken kann. Gemäß einem Beispiel kann der Träger13 ein Substrat13A umfassen, das ein anorganisches oder organisches Substrat sein kann. Der Kern des Substrats13A , insbesondere des organischen Substrats, kann eine bessere Wärmeleitfähigkeit als 1 W/mK umfassen. Gemäß einem Beispiel kann der Träger13 eine Dicke in einem Bereich von 0,1 mm bis 0,3 mm, insbesondere in einem Bereich von 0,15 mm bis 0,25 mm umfassen. - Gemäß einem Beispiel des Halbleitergehäuses
100 von1 umfasst das erste Halbleitermodul10 ferner eine Vielzahl von Halbleiter-Diodenchips14 , die als Freilaufdioden ausgelegt werden können. Gemäß einem Beispiel ist jeder einzelne der Halbleiter-Transistorchips11 mit einem der Halbleiter-Diodenchips14 parallel geschaltet. Gemäß einem Beispiel umfasst das erste Halbleitermodul10 ferner eine Metallisierungsschicht16 , die eine Vielzahl von metallischen Bereichen16A umfasst, welche elektrische Verbindungen zwischen ausgewählten der Halbleiter-Transistorchips11 und der Halbleiter-Diodenchips14 bilden. Zusätzlich kann die erste Einkapselungsschicht12 Durchkontaktierungsverbindungen12A umfassen, welche die metallischen Bereiche16A mit ausgewählten der Halbleiter-Transistorchips11 und der Halbleiter-Diodenchips14 verbinden. Die Durchkontaktierungsverbindungen12A werden nachstehend detaillierter beschrieben, insbesondere können sie laterale Durchmesser von mehr als 50 µm umfassen. - Gemäß einem Beispiel des Halbleitergehäuses
100 von1 bestehen die ersten Halbleiterchips11 aus Halbleiter-Transistorchips, insbesondere Halbleiter-Leistungstransistorchips, und die zweiten Halbleiterchips21 bestehen aus Halbleiter-Treiberchips21 . Gemäß einem Beispiel sind die Halbleiter-Transistorchips11 miteinander verbunden, um eine WS/WS-Wandlerschaltung, eine WS/GS-Wandlerschaltung, eine GS/WS-Wandlerschaltung, einen Frequenzwandler oder eine GS/GS-Wandlerschaltung zu bilden. - Gemäß einem Beispiel des Halbleitergehäuses
100 von1 umfasst das erste Halbleitermodul10 ferner Halbleiter-Diodenchips14 , wobei jeder einzelne der Halbleiter-Diodenchips14 mit einem der Halbleiter-Transistorchips11 parallel geschaltet sein kann. - Gemäß einem Beispiel des Halbleitergehäuses
100 von1 umfasst einer oder umfassen mehrere der Halbleiter-Transistorchips11 und der Halbleiter-Diodenchips14 eine Dicke in einem Bereich von 5 µm bis 700 µm, insbesondere von 30 µm bis 100 µm, insbesondere von 50 µm bis 80 µm. - Gemäß einem Beispiel des Halbleitergehäuses
100 von1 umfassen die Halbleiter-Transistorchips11 jeweils einen oder mehrere von einem Leistungstransistor, einem vertikalen Transistor, einem MOS-Transistor und einem Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT). Gemäß einem Beispiel kann das Halbleitermaterial eines oder mehrerer der Halbleiter-Transistorchips11 und der Halbleiter-Diodenchips14 auf Si, GaN, SiC oder einem beliebigen anderen Halbleitermaterial basieren. - Gemäß einem Beispiel des Halbleitergehäuses
100 von1 umfasst die Einkapselungsschicht12 eine Dicke in einem Bereich von 0,05 mm bis 1,5 mm über der oberen Fläche des Trägers13 . Gemäß einem Beispiel kann die erste Einkapselungsschicht12 eine Dicke im Bereich von 200 µm bis 300 µm über der ersten, oberen Hauptfläche der Halbleiter-Transistorchips11 umfassen. - Das Halbleitergehäuse
100 kann in zwei unterschiedlichen Varianten in Bezug auf das erste Halbleitermodul10 ausgelegt sein. In dieser Hinsicht wird auf die US-Patentanmeldung Nr. 13/974,583 (die „frühere Patentanmeldung“) ein und desselben Erwerbers wie die vorliegende Anmeldung Bezug genommen, wobei die Offenbarung der früheren Patentanmeldung in ihrer Gesamtheit in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen wird. Eine erste Variante kann den Titel „gemeinsamer DCB-Ansatz“ tragen und ist in1 der vorliegenden Anmeldung dargestellt, wobei das erste Halbleitermodul10 einen angrenzenden Träger13 umfasst, der an fünf Seiten (vier Seitenflächen und der oberen Hauptfläche) von der ersten Einkapselungsschicht12 eingeschlossen ist. Insbesondere kann ein solches erstes Halbleitermodul10 sechs Halbleiter-Leistungstransistoren umfassen, insbesondere sechs IGBT-Transistoren, und sechs Halbleiterdioden. Eine zweite Variante kann den Titel „segmentierter DCB-Ansatz“ tragen, wobei das erste Halbleitermodul eine Anzahl getrennter Module umfasst, wie die in5 der früheren Patentanmeldung gezeigten. Diese getrennten Module können jeweils in gleicher Weise wie das in1 gezeigte erste Halbleitermodul10 konstruiert sein, nämlich ein Träger13 , der in einer ersten Einkapselungsschicht12 eingebettet ist, wobei die Anzahl getrennter Module durch die zweite Einkapselungsschicht22 so voneinander getrennt ist, dass jedes einzelne der getrennten Module auf allen fünf Seiten (vier Seitenflächen und einer oberen Fläche) von der Einkapselungsschicht22 bedeckt wird. - Gemäß einem Beispiel des Halbleitergehäuses
100 von1 umfasst eine oder umfassen mehrere von der ersten Einkapselungsschicht12 und der zweiten Einkapselungsschicht22 eines oder mehrere von einem Polymer-Material, einem Formverbindungs-Material, einem Harz-Material, einem Epoxyharz-Material, einem Acrylat-Material, einem Polyimid-Material und einem Material auf Silikon-Basis. Gemäß einem Beispiel umfassen die erste und zweite Einkapselungsschicht12 und22 unterschiedliche Materialien. - Gemäß einem Beispiel des Halbleitergehäuses
100 von1 umfasst die erste Einkapselungsschicht12 Durchkontaktierungsverbindungen12A , welche die metallischen Bereiche16A der Metallisierungsschicht16 mit ausgewählten der Halbleiter-Transistorchips11 und der Halbleiter-Diodenchips14 verbinden. Die Durchkontaktierungsverbindungen12A können laterale Durchmesser in einem Bereich von 0,05 mm bis 1 mm, insbesondere von 0,3 mm bis 0,7 mm umfassen. Gemäß einem Beispiel umfassen die Durchkontaktierungsverbindungen12A ein Verhältnis der Höhe zur Breite in einem Bereich von 0 bis 3, vorzugsweise in einem Bereich von 0,3 bis 3. - Gemäß einem Beispiel des Halbleitergehäuses
100 von1 umfassen die Durchkontaktierungsverbindungen12A Durchkontaktierungslöcher durch die Einkapselungsschicht12 , wobei die Durchkontaktierungslöcher vollständig oder teilweise mit einem elektrisch leitfähigen Material gefüllt sind, wie beispielsweise einem Metall wie beispielsweise Kupfer. Das elektrisch leitfähige Material kann in die Durchkontaktierungslöcher in einer solchen Weise gefüllt werden, dass die Durchkontaktierungslöcher vom Material nicht vollständig gefüllt werden, sondern statt dessen das Material nur die Wände der Durchkontaktierungslöcher mit einer Dicke von weniger als der Hälfte des Durchmessers der Durchkontaktierungslöcher bedeckt. - Gemäß einem Beispiel des Halbleitergehäuses
100 von1 umfasst das erste Halbleitermodul10 eine oder mehrere Halbbrückenschaltungen, wobei in jeder Halbbrückenschaltung zwei Halbleiter-Transistorchips11 in Serie verbunden sind. Insbesondere kann das erste Halbleitermodul10 sechs Halbleiter-Transistorchips11 umfassen, wobei zwei jeweilige Halbleiter-Transistorchips11 in Serie verbunden sind, um drei Halbbrükkenschaltungen zu bilden. - Gemäß einem Beispiel des Halbleitergehäuses
100 von1 ist jeder einzelne der Halbleiter-Transistorchips11 mit einem der Halbleiter-Diodenchips14 parallel geschaltet. Insbesondere kann das erste Halbleitermodul10 sechs Halbleiter-Transistorchips11 und sechs Halbleiter-Diodenchips14 umfassen, von denen jeder mit einem der Halbleiter-Transistorchips11 parallel geschaltet ist. - Gemäß einem Beispiel des Halbleitergehäuses
100 von1 umfasst das zweite Halbleitermodul20 eine Leiterplatte23 , und die Halbleiter-Treiberchips21 sind mit der Leiterplatte23 verbunden. Gemäß einem Beispiel ist die Leiterplatte23 in einer Distanz vom ersten Halbleitermodul10 angeordnet, und die zweite Einkapselungsschicht22 ist in einem Zwischenraum zwischen der Leiterplatte23 und dem ersten Halbleitermodul10 angeordnet. Gemäß einem Beispiel ist die Leiterplatte23 vollständig innerhalb der zweiten Einkapselungsschicht22 eingebettet. - Gemäß einem Beispiel des Halbleitergehäuses
100 von1 können die Halbleiter-Treiberchips21 nur auf einer oberen Fläche der Leiterplatte23 verbunden sein. Es ist auch möglich, dass die Halbleiter-Treiberchips21 nur mit der unteren Fläche der Leiterplatte23 verbunden sind. Es ist auch möglich, dass die Halbleiter-Treiberchips21 sowohl auf der oberen als auch der unteren Fläche der Leiterplatte23 verbunden sind. - Gemäß einem Beispiel des Halbleitergehäuses
100 von1 umfasst das zweite Halbleitermodul20 eine Vielzahl passiver Vorrichtungen24 , wie beispielsweise Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten und dgl. Gemäß einem Beispiel können die passiven Vorrichtungen24 nur mit einer unteren Fläche der Leiterplatte23 verbunden sein. Sie können auch nur mit einer oberen Fläche der Leiterplatte23 verbunden sein. Eine weitere Möglichkeit ist, dass die passiven Vorrichtungen24 mit der unteren Fläche sowie mit der oberen Fläche der Leiterplatte23 verbunden sein können. - Gemäß einem Beispiel des Halbleitergehäuses
100 von1 sind elektrische Verbindungen zwischen dem ersten Halbleitermodul10 und dem zweiten Halbleitermodul20 durch Hülsen25 und metallische Stifte26 vorgesehen, die in die Hülsen25 eingesetzt sind. Die Hülsen25 können innerhalb der zweiten Einkapselungsschicht22 so eingebettet sein, dass sie lateral auf allen Seiten von der zweiten Einkapselungsschicht22 umgeben sind. Die Hülsen25 können beispielsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Die Leiterplatte23 kann Durchkontaktierungsverbinder23.1 an vorherbestimmten Orten davon umfassen, so dass, wo immer notwendig, eine elektrische Durchkontaktierungsverbindung gebildet werden kann, indem eine Hülse25 mit dem eingesetzten Stift26 über einen Durchkontaktierungsverbinder23.1 verbunden wird, z.B. um eine elektrische Verbindung zwischen einem Halbleiter-Treiberchip21 , der mit einer oberen Fläche der Leiterplatte23 verbunden ist, mit einem Halbleiter-Transistorchip11 vorzusehen, oder um einen Halbleiter-Transistorchip11 mit einem externen Verbinder30 zu verbinden. Durch eine solche elektrische Verbindung kann beispielsweise ein elektrischer Ausgangsstrom aus einer der Halbbrückenschaltungen vorgesehen werden, oder eine Eingangsspannung kann einer der Halbbrückenschaltungen zugeführt werden. -
2 zeigt ein Beispiel von Schaltungen, die von einem wie oben beschriebenen Halbleitergehäuse realisiert werden können. Die in2 gezeigte Schaltungsausbildung repräsentiert eine Dreiphasen-Wechselrichterschaltung200 zum Generieren von Dreiphasen-Wechselströmen, die beispielsweise zum Treiben eines Elektromotors verwendet werden können. Die Schaltung200 umfasst eine Transistorschaltung210 , die sechs Transistoren G1 bis G6 umfasst, wobei jeder einzelne von diesen mit einer der sechs Dioden D1 bis D6 parallel geschaltet sein kann. Die Transistorschaltung210 kann ferner in drei Halbbrückenschaltungen geteilt werden, wobei jede einzelne der Halbbrückenschaltungen eine Phase der Dreiphasen-Ströme vorsieht. Insbesondere wird eine erste Halbbrückenschaltung durch eine Serienverbindung der Transistoren G1 und G2 gebildet, die einen ersten Strom U an einem Knoten zwischen den Transistoren G1 und G2 bereitstellen, eine zweite Halbbrükkenschaltung wird durch eine Serienverbindung der Transistoren G3 und G4 gebildet, die einen zweiten Strom V an einem Knoten zwischen den Transistoren G3 und G4 bereitstellen, und eine dritte Halbbrückenschaltung wird durch eine Serienverbindung der Transistoren G5 und G6 gebildet, die einen dritten Strom W an einem Knoten zwischen den Transistoren G5 und G6 bereitstellen. Jede einzelne der drei Halbbrückenschaltungen wird mit einer von drei Spannungen EU, EV und EW versehen, und jede einzelne dieser Spannungen wird an einem Source-Anschluss eines der Transistoren der jeweiligen Halbbrückenschaltung eingegeben. Der Drain-Kontakt der jeweiligen anderen Transistoren der Halbbrückenschaltungen wird mit einem gemeinsamen Potenzial P verbunden. Die Schaltung200 umfasst ferner eine Treiberschaltung220 , die Treiberschaltungschips umfasst. Jeder einzelne der Transistoren G1 bis G6 wird von zwei Treiberschaltungschips angesteuert, die jeweils vertikal über den Transistoren G1 bis G6 gezeigt sind. Die Transistorschaltung210 kann innerhalb des in1 gezeigten ersten Halbleitermoduls10 eingeschlossen sein, und die Treiberschaltung220 kann innerhalb des in1 gezeigten zweiten Halbleitermoduls20 eingeschlossen sein. Zusätzlich kann ein NTC-(Negativtemperaturkoeffizient-)Temperatursensor (210A , NTC) vorgesehen sein, der auf der linken Seite oben auf der Schaltungsdarstellung gezeigt ist, jedoch tatsächlich ein Teil des ersten Halbleitermoduls sein kann, das die Transistorschaltung210 umfasst, da es wichtig sein kann, die Temperatur des ersten Halbleitermoduls im Betrieb der Vorrichtung zu überwachen. -
3A , B und C zeigen ein Beispiel eines Halbleitergehäuses300 in einer ersten perspektivischen Ansicht (3A ), einer zweiten perspektivischen Ansicht (3B ) und einer seitlichen Schnittansicht (3C ). Das Halbleitergehäuse300 umfasst einen Formkörper301 , der eine erste Hauptfläche301A , eine zweite Hauptfläche301B und Seitenflächen301C umfasst, welche die erste und zweite Hauptfläche301A und301B verbinden. Die Seitenflächen301C können aus zwei geneigten Flächen, wobei jede einzelne von diesen mit einer von der ersten und zweiten Hauptfläche301A und301B verbunden ist, und einer vertikalen Fläche bestehen, welche die beiden geneigten Flächen verbindet. Das Halbleitergehäuse300 umfasst ferner eine Vielzahl von ersten externen Verbindern325 und zweiten externen Verbindern326 , von denen sich alle durch eine der vier Seitenflächen301C des Formkörpers301 erstrecken, und, nachdem sie in einem rechten Winkel gebogen werden, sich in ein und dieselbe Richtung erstrecken. Wie bereits im Zusammenhang mit1 erläutert, gibt es zwei Typen externer Verbinder, nämlich erste externe Verbinder325 , die mit dem erste Halbleitermodul elektrisch verbunden sind und von denen jeder einzelne mit den Anschlüssen U, V, W, EU, EV, EW oder P verbunden ist, wie im Schaltbild von2 gezeigt. Die zweiten externen Verbinder326 sind mit dem zweiten Halbleitermodul elektrisch verbunden, um eine Energiezufuhr und Steuersignale für die Halbleiter-Treiberchips des zweiten Halbleitermoduls vorzusehen. Die ersten und zweiten externen Verbinder325 und326 können als streifenartige Verbinder einer beliebigen Art eines metallischen Materials gebildet sein, wie beispielsweise Kupfer oder einer Kupferlegierung. Die ersten externen Verbinder325 können eine größere Streifenbreite aufweisen, um ihre Strombelastbarkeit zu erhöhen. Der Formkörper301 kann ferner vertikale Durchgangslöcher305 umfassen, die in gegenüberliegenden Seitenrändern zum Zweck der Montage des Halbleitergehäuses300 mit Schrauben310 an einem Substrat, wie beispielsweise einem Wärmeverteiler, gebildet sind. - Obwohl die Erfindung in Bezug auf eine oder mehrere Implementierungen veranschaulicht und beschrieben wurde, können Änderungen und/oder Modifikationen an den veranschaulichten Beispielen vorgenommen werden, ohne vom Grundgedanken und Umfang der beigeschlossenen Ansprüche abzuweichen. In besonderer Hinsicht auf die verschiedenen Funktionen, die von den oben beschriebenen Bauteilen oder Strukturen (Anordnungen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systemen, etc.) vorgenommen werden, sollen die zur Beschreibung solcher Bauteile verwendeten Ausdrücke (einschließlich einer Bezugnahme auf ein „Mittel“) eines beliebigen Bauteils oder Struktur entsprechen, welche die spezifizierte Funktion des beschriebenen Bauteils vornimmt (z.B. die funktionell äquivalent ist), auch wenn sie zur offenbarten Struktur nicht strukturell äquivalent ist, welche die Funktion in den hier als Beispiele veranschaulichten Implementierungen der Erfindung vornimmt, wenn nichts anderes angegeben ist.
Claims (20)
- Halbleitergehäuse, umfassend: einen Formkörper, der eine erste Hauptfläche, eine der ersten Hauptfläche entgegengesetzte zweite Hauptfläche und Seitenflächen umfasst, welche die erste und zweite Hauptfläche verbinden; ein erstes Halbleitermodul, das eine Vielzahl von ersten Halbleiterchips und eine erste Einkapselungsschicht umfasst, die über den ersten Halbleiterchips angeordnet ist; ein zweites Halbleitermodul, das über dem ersten Halbleitermodul angeordnet ist, wobei das zweite Halbleitermodul wenigstens einen zweiten Halbleiterchip und eine zweite Einkapselungsschicht umfasst, die über dem wenigstens einen Halbleiterchip angeordnet ist; und eine Vielzahl von externen Verbindern, die sich durch eine oder mehrere der Seitenflächen des Formkörpers erstrekken.
- Halbleitergehäuse nach Anspruch 1, wobei eine erste Gruppe der externen Verbinder mit dem ersten Halbleitermodul elektrisch verbunden ist, und eine zweite Gruppe der externen Verbinder mit dem zweiten Halbleitermodul elektrisch verbunden ist.
- Halbleitergehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die externen Verbinder mit dem zweiten Halbleitermodul mechanisch verbunden sind.
- Halbleitergehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Halbleitermodul eine Leiterplatte umfasst, und der wenigstens eine zweite Halbleiterchip mit der Leiterplatte verbunden ist.
- Halbleitergehäuse nach Anspruch 4, wobei die externen Verbinder mit der Leiterplatte mechanisch verbunden sind.
- Halbleitergehäuse nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Leiterplatte Durchkontaktierungsverbindungen umfasst, und eine Gruppe der externen Verbinder mit den Durchkontaktierungsverbindungen verbunden ist.
- Halbleitergehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder einzelne der externen Verbinder einen ersten Teil, der hauptsächlich innerhalb des Formkörpers angeordnet ist, und einen zweiten Teil, der außerhalb des Formkörpers angeordnet ist, umfasst, und wobei der zweite Teil unter einem rechten Winkel in Bezug auf die ersten Teile gebogen ist.
- Halbleitergehäuse nach Anspruch 7, wobei die ersten Teile der externen Verbinder in ein und derselben Ebene liegen.
- Halbleitergehäuse nach Anspruch 7 oder 8, wobei die zweiten Teile der externen Verbinder eine oder mehrere von einer gleichen Richtung und gleichen Länge umfassen.
- Halbleitergehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Formkörper zwei vertikale Durchgangslöcher umfasst, die in zwei entgegengesetzten Seitenkanten des Formkörpers gebildet sind, wobei sich jedes einzelne der Durchgangslöcher von der ersten Hauptfläche des Formkörpers zur zweiten Hauptfläche des Formkörpers erstreckt.
- Halbleitergehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Halbleiterchips Halbleiter-Transistorchips umfassen, und der wenigstens eine zweite Halbleiterchip eine Vielzahl von Halbleiter-Treiberkanälen umfasst.
- Halbleitergehäuse nach Anspruch 11, wobei die Halbleiter-Transistorchips verbunden sind, um eine WS/WS-Wandlerschaltung, eine WS/GS-Wandlerschaltung, eine GS/WS-Wandlerschaltung, einen Frequenzwandler oder eine GS/GS-Wanderschaltung zu bilden.
- Halbleitergehäuse, umfassend: einen Formkörper, der eine erste Hauptfläche, eine der ersten Hauptfläche entgegengesetzte zweite Hauptfläche und Seitenflächen umfasst, welche die erste und zweite Hauptfläche verbinden; ein Halbleiter-Leistungsmodul, das eine Vielzahl von Halbleiter-Leistungstransistorchips umfasst; ein Halbleiter-Treibermodul, das eine Vielzahl von Halbleiter-Treiberkanälen umfasst, wobei das Halbleiter-Treibermodul über dem Halbleiter-Leistungsmodul angeordnet ist und daran angebracht ist; und eine Vielzahl von externen Verbindern, die sich durch eine oder mehrere Seitenflächen des Formkörpers erstrecken.
- Halbleitergehäuse nach Anspruch 13, wobei der Formkörper vier Seitenflächen umfasst, und sich die externen Verbinder durch alle vier Seitenflächen des Formkörpers erstrecken.
- Halbleitergehäuse nach Anspruch 14, wobei das Halbleiter-Leistungsmodul eine erste Einkapselungsschicht umfasst, die über den Halbleiter-Leistungstransistorchips angeordnet ist, und wobei das Halbleiter-Leistungsmodul eine Vielzahl von Submodulen umfasst, die durch die erste Einkapselungsschicht voneinander getrennt sind.
- Halbleitergehäuse nach Anspruch 15, ferner umfassend: eine Umverteilungsschicht, die über der ersten Einkapselungsschicht angeordnet ist, wobei die Umverteilungsschicht metallische Schichten umfasst, welche ausgewählte der Halbleiter-Leistungstransistorchips verbinden.
- Halbleitergehäuse nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei jeder einzelne der Halbleiter-Leistungstransistorchips mit einem oder zwei Halbleiter-Treiberchips verbunden ist.
- Verfahren zur Herstellung eines Halbleitergehäuses, wobei das Verfahren umfasst: Vorsehen eines ersten Halbleitermoduls, wobei das erste Halbleitermodul eine Vielzahl von Halbleiter-Transistorchips und eine erste Einkapselungsschicht umfasst, die über den Halbleiter-Transistorchips angeordnet ist; Anordnen einer Vielzahl von Halbleiter-Treiberkanälen über dem ersten Halbleitermodul und Verbinden der Halbleiter-Treiberkanäle mit den Halbleiter-Transistorchips; Anordnen einer Vielzahl von sich lateral erstreckenden externen Verbindern; und Aufbringen einer zweiten Einkapselungsschicht auf den Halbleiter-Treiberkanälen und auf den externen Verbindern.
- Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend: Vorsehen einer Leiterplatte; Verbinden der Halbleiter-Treiberkanäle mit der Leiterplatte; Anordnen der Leiterplatte in einer Distanz zum ersten Halbleitermodul; Verbinden der externen Verbinder mit der Leiterplatte; und Aufbringen der zweiten Einkapselungsschicht nach dem Verbinden der externen Verbinder mit der Leiterplatte.
- Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, ferner umfassend: Aufbringen der zweiten Einkapselungsschicht durch Transferformen.
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