DE102014213545A1 - Leistungshalbleitermodul - Google Patents

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Bernd Kürten
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Abstract

Die Erfindung ist ein Leistungshalbleitermodul (10), bei dem ein keramischer Verdrahtungsträger (26) als Kühlkörper fungiert, indem mit dem keramischen Verdrahtungsträger (26) ein Phasenwechselmaterial kombiniert ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Halbleitermodul, insbesondere ein Leistungshalbleitermodul. Leistungshalbleitermodule sind an sich bekannt und werden zum Beispiel in Umrichterschaltungen oder in üblicherweise als Umrichter oder Frequenzumrichter bezeichneten Geräten verwendet. Als Leistungshalbleiter solcher Module kommen zum Beispiel sogenannte IGBTs, Leistungs-MOSFETs und dergleichen in Betracht.
  • Als Ursache für einen Ausfall von Leistungshalbleitermodulen, nämlich einem Ausfall einer Aufbau- und Verbindungstechnik von Leistungshalbleitermodulen, haben sich in erster Linie die von elektrischen Lastschwankungen hervorgerufenen Temperaturschwankungen herausgestellt.
  • Leistungshalbleitermodule werden heute teilweise bereits in planarer Technik aufgebaut. Hierbei gibt es Ansätze, eine derartige planare Technik zu nutzen, um den oder jeden von dem Leistungshalbleitermodul umfassten Halbleiter doppelseitig zu entwärmen. Dies schränkt allerdings die konstruktiven Freiheiten bei der Integration eines Leistungshalbleitermoduls in eine umgebende Schaltung oder ein umgebendes Gerät, zum Beispiel eine Umrichterschaltung bzw. einen Umrichter, erheblich ein. In der DE 11 2007 001 249 T5 wird eine Anordnung beschrieben, bei der die Verdrahtung der Oberfläche des dortigen Leistungshalbleitermoduls anstelle sonst üblicher Bonddrähte beidseitig mittels eines doppelt verbundenen Kupfer-Wafers (DBC-Wafer; double bonded copper wafer) erfolgt, so dass der Halbleiterchip sandwichartig von einem oberen und einem unteren DBC-Wafer eingeschlossen ist.
  • Zur Kontaktierung des Halbleiterchips weist jeder DBC-Wafer eine dem Halbleiterchip zugewandte und auf der jeweiligen Oberfläche des Halbleiterchips aufliegende Kupferschicht auf. Um eine Verbiegung der Keramik aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Keramik und Kupfer zu vermeiden, benötigt ein solcher DBC-Wafer auf beiden Seiten der Keramik eine Kupferschicht. Es besteht allerdings die Möglichkeit, an der freien Oberfläche einen als Wärmekapazität fungierenden Kühlkörper anzubringen, um auf diese Weise das Leistungshalbleitermodul zu entwärmen.
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht vor diesem Hintergrund darin, eine weitere Ausführungsform eines Leistungshalbleitermoduls anzugeben, insbesondere eine Ausführungsform eines Leistungshalbleitermoduls, die weniger empfindlich in Bezug auf temperaturbedingte Ausdehnungen und damit besser gegen einen Ausfall aufgrund von durch elektrische Lastschwankungen hervorgerufenen Temperaturschwankungen ist.
  • Diese Aufgabe wird mittels eines Leistungshalbleitermoduls mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dazu ist bei einem Leistungshalbleitermodul mit zumindest einem Leistungshalbleiter und mit einer beidseitig flächigen Kontaktierung des oder jedes Leistungshalbleiters mittels jeweils eines Verdrahtungsträgers vorgesehen, dass als Verdrahtungsträger zumindest einseitig ein keramischer Verdrahtungsträger und dieser als Kühlkörper für das Leistungshalbleitermodul fungiert, indem mit dem keramischen Verdrahtungsträger ein Phasenwechselmaterial kombiniert ist. Der zumindest einseitige keramische Verdrahtungsträger hat also eine Doppelfunktion als Träger oder Basis der Verdrahtung des zumindest einen Leistungshalbleiters sowie als Kühlkörper für den zumindest einen Leistungshalbleiter und das Leistungshalbleitermodul insgesamt.
  • Ein Phasenwechselmaterial (Phase Change Material; PCM) ist bekanntlich ein Material, das sich durch eine hohe Schmelzenthalpie auszeichnet und damit in der Lage ist, beim Übergang vom festen in den flüssigen Zustand (Phasenwechsel) in erheblichem Umfang Wärmeenergie aufzunehmen. Indem der keramische Verdrahtungsträger in geeigneter Art und Weise mit einem solchen Phasenwechselmaterial kombiniert ist, eignet sich die Kombination (Keramik und Phasenwechselmaterial) hervorragend als Kühlkörper für das Leistungshalbleitermodul. Insgesamt lassen sich damit die bisher beim Betrieb eines Leistungshalbleitermoduls beobachteten Temperaturschwankungen deutlich senken und auf diese Weise temperaturbedingte Ausdehnungen reduzieren.
  • Diese Art der passiven Kühlung hat gegebenenfalls auch selbständige erfinderische Qualität für eine Kühlung anderer elektrischer oder elektronischer Bauelemente, so dass die Erfindung insoweit auch ein Modul allgemeinerer Art mit zumindest einem elektrischen/ elektronischen Bauelement mit einer zumindest einseitig flächigen Kontaktierung mittels eines keramischen Verdrahtungsträgers ist, bei dem der zumindest eine keramische Verdrahtungsträger als Kühlkörper für das Modul fungiert, indem mit dem keramischen Verdrahtungsträger ein Phasenwechselmaterial kombiniert ist. Die nachfolgend und im speziellen Beschreibungsteil erläuterten weiteren Ausführungsformen gelten entsprechend auch für eine solche Variante eines Leistungshalbleitermoduls sowie für eine Kühlung anderer elektrischer oder elektronischer Bauteile, die sich zumindest einseitig mit einem derartigen keramischen Verdrahtungsträger oder einem nicht notwendig als Verdrahtungsträger fungierenden keramischen Träger kombinieren lassen.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin. Sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen nicht vorhanden ist.
  • Bei einer Ausführungsform des Leistungshalbleitermoduls, bei dem der zumindest eine keramische Verdrahtungsträger mit einem Phasenwechselmaterial kombiniert ist und damit als Kühlkörper fungiert, ist vorgesehen, dass das Phasenwechselmaterial in Kavitäten, insbesondere kapillare Kavitäten, des Verdrahtungsträgers eingebracht ist. Die Kavitäten stellen eine besonders günstige Möglichkeit zur Kombination des Phasenwechselmaterials mit dem jeweiligen keramischen Verdrahtungsträger dar. Solche Kavitäten können bei der Herstellung des Verdrahtungsträgers erzeugt werden, zum Beispiel durch eine entsprechende Pressform für die Rohkeramik. Wenn es sich bei den Kavitäten um kapillare Kavitäten handelt, ergibt sich vorteilhaft, dass aufgrund der Kapillarität auch das in den flüssigen Zustand übergegangene Phasenwechselmaterial sicher in den kapillaren Kavitäten und damit im Inneren des keramischen Verdrahtungsträgers gehalten wird. Zudem erleichtert die Kapillarität die Kombination des Phasenwechselmaterials mit dem Verdrahtungsträger, denn zum einmaligen Kombinieren des Phasenwechselmaterials mit dem Verdrahtungsträger muss das Phasenwechselmaterial nur in flüssigem Zustand auf die kapillaraktive Oberfläche des Verdrahtungsträgers aufgetragen werden oder der Verdrahtungsträger in flüssiges Phasenwechselmaterial getaucht werden und die Kapillarität sorgt dafür, dass das flüssige Phasenwechselmaterial in die kapillaren Kavitäten des Verdrahtungsträgers eindringt. Wenn das flüssige Phasenwechselmaterial im Vakuum appliziert wird, muss das in die Kavitäten eindringende Phasenwechselmaterial keine ansonsten darin befindliche Luft verdrängen, so dass eine optimale Füllung der Kavitäten gewährleistet ist.
  • Wenn die Kavitäten regelmäßig im Volumen des Verdrahtungsträgers oder über eine Oberfläche des Verdrahtungsträgers verteilt sind, ist eine großflächige und gleichmäßige Wirkung des keramischen Verdrahtungsträgers als Kühlkörper gewährleistet.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform des Leistungshalbleitermoduls ist vorgesehen, dass als Verdrahtungsträger zumindest einseitig ein keramischer Verdrahtungsträger, insbesondere ein mit einem Phasenwechselmaterial kombinierter Verdrahtungsträger, mit in Dickschichttechnik aufgebrachten Leiterbahnen fungiert. Auch dieser Ausführungsform kommt ggf. selbständige erfinderische Qualität – also unabhängig von der oben erläuterten passiven Kühlung – zu, so dass die Erfindung insofern auch ein Leistungshalbleitermodul mit zumindest einem Leistungshalbleiter und mit einer beidseitig flächigen Kontaktierung des oder jedes Leistungshalbleiters mittels jeweils eines Verdrahtungsträgers ist, wobei als Verdrahtungsträger zumindest einseitig ein keramischer Verdrahtungsträger mit in Dickschichttechnik aufgebrachten Leiterbahnen fungiert. Vorteilhaft ist bei einem Leistungshalbleitermodul mit einer in Dickschichttechnik ausgeführten Verdrahtungsebene eine Funktionsintegration möglich, wie sie bei der bisherigen Kontaktierung von Leistungshalbleitern mittels Bonddrähten nicht möglich ist. So können zum Beispiel Gate-Vorwiderstände, Temperatursensoren (eventuell mittels Laser abgeglichen), Treiberschaltungen und dergleichen in die Dickschicht integriert werden. Die für den Betrieb der Leistungshalbleiter notwendige Stromtragfähigkeit der in der Dickschicht verlaufenden Leiterbahnen wird durch eine entsprechende Dimensionierung der Leiterbahnen (Breite und/oder Dicke) gewährleistet.
  • Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht in der mittels zumindest eines oder zweier keramischer Verdrahtungsträger möglichen planaren und kompakten Bauweise des Leistungshalbleitermoduls zusammen mit den Möglichkeiten zur Kontaktierung des zumindest einen Leistungshalbleiters mittels der in Dickschichttechnik auf den keramischen Verdrahtungsträger aufgebrachten Leiterbahnen.
  • Bei einer nochmals weiteren Ausführungsform des Leistungshalbleitermoduls weist dieses ein oder mehrere durch einen Verdrahtungsträger hindurchreichende Kontaktelemente zur Kontaktierung einer der in Dickschichttechnik aufgebrachten Leiterbahnen oder zur Kontaktierung des Leistungshalbleiters oder eines der Leistungshalbleiter auf. Mittels solcher Kontaktelemente ist neben den in der Dickschicht geführten Leiterbahnen und dort herausführbaren Anschlüssen auch eine Kontaktierung des Leistungshalbleitermoduls über eine seiner Oberflächen, nämlich die Oberfläche eines Verdrahtungsträgers, möglich. Wenn mit dem Verdrahtungsträger ein Phasenwechselmaterial kombiniert ist, zum Beispiel indem sich dieses in dortigen Kavitäten befindet, wird das Kontaktelement zum Beispiel durch einen Abschnitt des Verdrahtungsträgers geführt, in dem sich kein Phasenwechselmaterial befindet, zum Beispiel einen Abschnitt ohne Kavitäten oder einen Abschnitt, in dem sich in den Kavitäten kein Phasenwechselmaterial befindet.
  • Vorteilhaft lässt sich bei einem Leistungshalbleitermodul, bei dem als Verdrahtungsträger zumindest einseitig ein keramischer Verdrahtungsträger mit in Dickschichttechnik aufgebrachten Leiterbahnen fungiert, die resultierende Dickschicht für einen vertikalen Toleranzausgleich einsetzen. Dies ist besonders dann günstig, wenn das Leistungshalbleitermodul mehrere Leistungshalbleiter mit jeweils unterschiedlichen Schichtdicken aufweist. Die auf einem ersten („unteren“) Verdrahtungsträger aufgebrachten Leistungshalbleiter führen aufgrund unterschiedlicher Schichtdicken dann zu unterschiedlichen lokalen Höhen und ohne einen vertikalen Toleranzausgleich ließen sich nicht alle Leistungshalbleiter mit einem gemeinsamen keramischen Verdrahtungsträger abdecken. Indem die Stärke der Dickschicht des keramischen Verdrahtungsträgers lokal an die Höhe des jeweils zu kontaktierenden Leistungshalbleiters angepasst ist, ergibt sich der vertikale Toleranzausgleich und alle von dem Leistungshalbleitermodul umfassten Leistungshalbleiter lassen sich in einer mechanisch und elektrisch sicheren Art und Weise mit einem gemeinsamen keramischen Verdrahtungsträger abdecken.
  • Ein Leistungshalbleitermodul der hier und im Folgenden beschriebenen Art kommt zur Verwendung in elektrischen Geräten unterschiedlichster Art in Betracht. Besonders hervorzuheben ist die Verwendung eines solchen Leistungshalbleitermoduls in einer Umrichterschaltung. Dann ist die Erfindung auch eine Umrichterschaltung mit zumindest einem Leistungshalbleitermodul wie hier und im Folgenden beschrieben und ein elektrisches Gerät, zum Beispiel ein elektrisches Gerät in Form eines Umrichters/Frequenzumrichters, mit zumindest einem solchen Leistungshalbleitermodul.
  • Der Vorteil der Erfindung und ihrer Ausgestaltungen besteht insbesondere darin, dass mit einem Ersatz der bisher üblichen Bonddrähte oder der in der DE 11 2007 001 249 T5 beschriebenen DBC-Wafer durch eine oberseitige Verdrahtung mit einem keramischen Verdrahtungsträger (Keramikplatte), welcher einerseits mittelbar oder unmittelbar mit Leiterbahnen versehen ist und andererseits optional Kavitäten für die Aufnahme eines Phasenwechselmaterials aufweist, auf der Oberseite des Leistungshalbleitermoduls eine deutliche Erhöhung der Wärmekapazität erreicht werden kann. Auf diese Weise lassen sich die im Leistungshalbleitermodul beim Betrieb normalerweise zu erwartenden Temperaturhübe erheblich senken. Dies wirkt sich günstig auf die Lebensdauer des Leistungshalbleitermoduls aus. Zudem verhalten sich Keramiken mit Dickschichtkupfer im Hinblick auf eine temperaturbedingte Ausdehnung im Wesentlichen wie reines Keramikmaterial und sind damit grundsätzlich besser an eine thermische Ausdehnung der Halbleitermaterialien angepasst als DBC-Lösungen. Darüber hinaus wird mit dem verringerten Temperaturhub auch die Spitzentemperatur reduziert, so dass sich bei gleicher Maximaltemperatur höhere Leistungen erzielen lassen.
  • Des Weiteren bietet der Einsatz einer Keramik in Dickschichttechnik die Möglichkeit, Anschlüsse, wie zum Beispiel die Steueranschlüsse, über durch den keramischen Verdrahtungsträger hindurchreichende Kontaktelemente (Durchkontaktierungen) auf der Oberseite der Keramik zugänglich zu machen oder auch über einen üblichen Mehrlagendruck mit Isolationsschicht Anschlüsse von einer zentralen Position auf dem Halbleiter zur Seite wegzuführen. Mit Einsatz der Dickschichttechnik ergeben sich zudem alle hierzu bekannten Vorteile, wie zum Beispiel höhere Integrationsdichte, Multilayer-Fähigkeit sowie die Integration von gedruckten Widerständen (zum Beispiel als Gate-Widerstände) oder auch anderen Bauteilen, was eine erhöhte Integrationsdichte ermöglicht. Über einen Mehrfachdruck der Kupferschicht lassen sich sehr leicht auch Anbindungen an die untere Verdrahtungsebene (zum Beispiel DCB – direct bonded copper / direct copper bond) erreichen.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Das Ausführungsbeispiel ist nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung durchaus auch Ergänzungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den im allgemeinen oder speziellen Beschreibungsteil beschriebenen sowie in den Ansprüchen und/oder der Zeichnung enthaltenen Merkmalen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschrittfolgen, zum Beispiel einem Herstellungsverfahren, führen.
  • Es zeigen
  • 1 ein Leistungshalbleitermodul in einer isometrischen Ansicht und
  • 2 das Leistungshalbleitermodul gemäß 1 in einer Seitenansicht.
  • Die Darstellungen in 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform eines Leistungshalbleitermoduls 10 in planarer Technik gemäß der Erfindung und zwar in einer isometrischen Ansicht bzw. einer Seitenansicht.
  • Das Leistungshalbleitermodul 10 umfasst zumindest einen Leistungshalbleiter 12, bei der dargestellten Ausführungsform genau einen Leistungshalbleiter 12. Bei dem Leistungshalbleiter 12 kann es sich um einen Leistungshalbleiter in Form eines IGBTs, eines Leistungs-MOSFETs und dergleichen, aber auch einer Diode oder Ähnlichem handeln.
  • Das Leistungshalbleitermodul 10 ist insgesamt auf einem Verdrahtungsträger 14 gebildet, der im Folgenden zur Unterscheidung von einem weiteren Verdrahtungsträger (26) auch als Basisverdrahtungsträger 14 bezeichnet wird und auch als Wärmesenke fungiert. Der Basisverdrahtungsträger 14 umfasst beim gezeigten Ausführungsbeispiel auf seiner Unterseite einen Kühlkörper 16, der zum Beispiel in Kontakt mit einem hier nicht gezeigten Kühlmedium, zum Beispiel einer Kühlflüssigkeit, steht.
  • Zur Kontaktierung des Leistungshalbleiters 12 befindet sich auf der Oberfläche des Basisverdrahtungsträgers 14 zumindest eine hier und im Folgenden mitunter nur kurz als Dickschicht 18 bezeichnete untere Verdrahtungsebene mit zum Beispiel in Dickschichttechnik aufgebrachten (selbst nicht gezeigten) Leiterbahnen. Grundsätzlich kommt anstelle einer solchen Dickschicht 18 auch jede andere Form von Schaltungsträger wie z.B. DBCs, IMS (Insulated Metal Substrate) oder Ähnliches in Betracht. Im Interesse einer besseren Lesbarkeit der hier vorgelegten Beschreibung, aber ohne Verzicht auf eine weitergehende Allgemeingültigkeit, wird diese am Beispiel eines Leistungshalbleitermoduls 10 mit in Dickschichttechnik aufgebrachten Leiterbahnen fortgesetzt. Dabei sind bei jeder Erwähnung einer Dickschicht oder der Dickschichttechnik insbesondere die oben erwähnten alternativen Schaltungsträger stets mitzulesen.
  • Bei der gezeigten Ausführungsform umfasst das Leistungshalbleitermodul 10 zwei jeweils auf dem Basisverdrahtungsträger 14 befindliche Dickschichten 18 (Dickschichtsockel 18).
  • Die weitere Beschreibung erfolgt zunächst anhand des in den Darstellungen in 1 und 2 links gezeigten Dickschichtsockels 18. Oberhalb der dortigen Dickschicht 18 befindet sich eine Interface-Schicht, Kontakt- oder Bondschicht, zum Beispiel eine Lotschicht 20 (2), die den elektrisch leitenden Kontakt zwischen den Leiterbahnen der Dickschicht 18, nämlich den dortigen Leiterbahnenden, und dem Leistungshalbleiter 12 herstellt. Auf der Oberseite des Leistungshalbleiters 12 befindet sich eine weitere Interface-Schicht, Kontakt- oder Bondschicht, zum Beispiel in Form einer weiteren Lotschicht 22, die den elektrisch leitenden Kontakt zwischen dem Leistungshalbleiter 12 und einer oberhalb des Leistungshalbleiters 12 befindlichen weiteren Dickschicht 24 herstellt. Bei der weiteren Dickschicht 24 handelt es sich um eine Dickschicht der bereits beschriebenen Art, also um eine Schicht mit in Dickschichttechnik aufgebrachten und (ebenfalls selbst nicht gezeigten) Leiterbahnen. Der mittels der zweiten Kontakt-/Lotschicht 22 hergestellte elektrisch leitende Kontakt zwischen dem Leistungshalbleiter 12 und der weiteren Dickschicht 24 besteht also zwischen dem Leistungshalbleiter 12 und den Leiterbahnen der weiteren Dickschicht 24. Der Leistungshalbleiter 12 ist damit beidseitig flächig mittels einer unteren und einer oberen Dickschicht 18, 24 kontaktiert.
  • Die weitere Dickschicht 24 ist an einem zur Unterscheidung von dem Basisverdrahtungsträger 14 als Deckelverdrahtungsträger 26 bezeichneten keramischen Verdrahtungsträger gebildet. Damit ist der Leistungshalbleiter 12 beidseitig flächig mittels einer auf jeweils einem Verdrahtungsträger 14, 26 gebildeten Dickschicht 18, 24 kontaktiert. Die weitere/obere Dickschicht 24 reicht bei der gezeigten Ausführungsform bis über den rechten Dickschichtsockel 18. Dort weist die weitere Dickschicht 24 eine Verdickung 28 auf und mittels einer Kontakt-/Lotschicht 30 ist ein elektrisch leitender Kontakt zwischen den Leiterbahnen des dortigen Dickschichtsockels 18 und der weiteren Dickschicht 24 hergestellt (selbstverständlich kann die Verdickung 28 alternativ auch in Form von oder als Teil des Dickschichtsockels 18 oder als Einzelteil, zum Beispiel in Form eines Kupferplättchens oder eines Kupfersockels, ausgeführt sein).
  • Die Verdickung 28 über dem in den Darstellungen rechts gezeigten Dickschichtsockel 18 ist ein Beispiel für eine Dickschicht 28, die innerhalb des Leistungshalbleitermoduls 10 als vertikaler Toleranzausgleich fungiert. Aufgrund dieses vertikalen Toleranzausgleichs ist die weitere Dickschicht 24 parallel zu dem oder jedem Dickschichtsockel 18 und damit auch parallel zur Oberfläche jedes mittelbar oder unmittelbar auf einem Dickschichtsockel 18 platzierten Leistungshalbleiters 12 ausgerichtet. Dies gewährleistet eine gleichmäßig flächige Kontaktierung mehrerer über jeweils einem Dickschichtsockel 18 oder einem gemeinsamen Dickschichtsockel 18 gebildeter Strukturen mit oder ohne Leistungshalbleiter 12 mittels eines Deckelverdrahtungsträgers 26.
  • Bei einer elektrisch leitenden Verbindung (nicht gezeigt) zwischen den beiden Dickschichtsockeln 18 oder einzelnen Dickschichtsockeln 18 des Leistungshalbleitermoduls 10 lassen sich mit der weiteren Dickschicht 24 und der ebenfalls Leiterbahnen umfassenden Verdickung 28 elektrisch leitende Verbindungen zwischen einer Oberseite und einer Unterseite eines von dem Leistungshalbleitermodul 10 umfassten Leistungshalbleiters 12 herstellen. Ansonsten kommen mehrere Dickschichtsockel 18 auch in Betracht, indem auf einem Dickschichtsockel 18 zum Beispiel ein Leistungshalbleiter 12 in Form eines IGBTs und auf einem anderen Dickschichtsockel 18 ein Halbleiter oder Leistungshalbleiter 12 in Form einer jeweils einem IGBT zugeordneten Freilaufdiode angeordnet ist. Anstelle mehrerer Dickschichtsockel 18 ist auch ein gemeinsamer Dickschichtsockel 18 denkbar. Ein solcher Dickschichtsockel 18 kann dann selbst die ansonsten zwischen zwei Dickschichtsockeln 18 zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung erforderlichen Leiterbahnen umfassen.
  • Bei dem hier vorgeschlagenen Leistungshalbleitermodul 10 fungiert der Deckelverdrahtungsträger 26 als Kühlkörper für das Leistungshalbleitermodul 10, indem mit diesem ein Phasenwechselmaterial kombiniert ist. Soweit sich die nachfolgende Beschreibung anhand des Ausführungsbeispiels nur auf den Deckelverdrahtungsträger 26 bezieht, wird dieser im Folgenden mitunter auch nur kurz als Verdrahtungsträger 26 bezeichnet. Die beschriebene Ausführung des Deckelverdrahtungsträgers 26 kommt grundsätzlich genauso für den Basisverdrahtungsträger 14 in Betracht.
  • Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Deckelverdrahtungsträger 26 mit dem Phasenwechselmaterial kombiniert, indem das Phasenwechselmaterial in Kavitäten 32 des Deckelverdrahtungsträgers 26 eingebracht ist. Als Phasenwechselmaterial kommt zum Beispiel MgCl2 × 6H20 („Bischofit“) oder Bi-Pb eutectic in Betracht. Bevorzugt werden solche Phasenwechselmaterialien verwendet, deren Phasenwechseltemperatur im Bereich einer durchschnittlichen Temperatur der zur Integration in das Leistungshalbleitermodul 10 vorgesehenen Leistungshalbleiter 12 liegt. Die Kavitäten 32 sind in den Darstellungen in 1 und 2 nur schematisch vereinfacht als zur nach oben weisenden Oberfläche des Deckelverdrahtungsträgers 26 offene Bohrungen (Sacklöcher) gezeigt. Jedenfalls lässt sich auf diese Weise veranschaulichen, dass bei der gezeigten Ausführungsform die Kavitäten 32 regelmäßig über das Volumen und/oder eine Oberfläche des Deckelverdrahtungsträgers 26 verteilt sind, so dass eine gleichmäßig Entwärmung des Leistungshalbleitermoduls 10 möglich ist.
  • Die Entwärmung erfolgt, indem der Deckelverdrahtungsträger 26 und damit das darin befindliche Phasenwechselmaterial thermisch mit dem oder jedem Leistungshalbleiter 12 des Leistungshalbleitermoduls 10 gekoppelt ist. Die Kopplung ist einerseits direkt in Form der zweiten Kontakt-/Lotschicht 22 und der weiteren Dickschicht 24 und andererseits indirekt über die das Leistungshalbleitermodul 10 umgebende Luft gegeben. Wenn sich der Leistungshalbleiter 12 beim Betrieb stark erhitzt, wird die entstehende Wärmeenergie von dem Phasenwechselmaterial bei einem Phasenwechsel vom festen zum flüssigen Zustand absorbiert. Die Menge an Wärmeenergie, die bei einem solchen Phasenwechsel kurzfristig aufgenommen werden kann, liegt dabei deutlich über der Menge an Wärmeenergie, die zum Beispiel mittels eines Kühlkörpers 16 abgeführt werden kann. Das Phasenwechselmaterial wirkt sich dementsprechend besonders günstig bei Lastpulsen des Leistungshalbleiters 12 und damit einhergehenden größeren Temperaturhüben aus. Indem die ansonsten in das Leistungshalbleitermodul 10 gelangende Wärmeenergie von dem Phasenwechselmaterial absorbiert wird, werden temperaturbedingte Ausdehnungen des Leistungshalbleitermoduls 10 vermieden oder zumindest deutlich reduziert. Dies führt dazu, dass sich zwischen den im Leistungshalbleitermodul 10 gebildeten Schichten, zum Beispiel der Dickschicht 18, der Kontakt-/Lotschicht 20, dem Leistungshalbleiter 12, der Kontakt-/Lotschicht 22 und der Dickschicht 24, kaum noch oder nur noch in erheblich reduziertem Umfang thermisch induzierte mechanische Spannungen ausbilden können, die bisher oftmals zu dem eingangs erwähnten Ausfall einer Aufbau- und Verbindungstechnik des Leistungshalbleitermoduls 10 und damit des Leistungshalbleitermoduls 10 insgesamt geführt haben.
  • Die zur Oberfläche des Verdrahtungsträgers 26 offenen Kavitäten 32 ermöglichen auch eine vergleichsweise einfache Kombination des Verdrahtungsträgers 26 mit dem Phasenwechselmaterial. Durch Benetzen der Oberfläche des Verdrahtungsträgers 26 mit flüssigem Phasenwechselmaterial oder durch Eintauchen des Verdrahtungsträgers 26 in flüssiges Phasenwechselmaterial, zum Beispiel im Vakuum, dringt dieses, bei kapillaren Kavitäten 32 aufgrund der Kapillarität der Kavitäten 32, selbständig in die Kavitäten 32 und den Verdrahtungsträger 26 ein. Aufgrund der Kapillarität ist das Phasenwechselmaterial dort auch sicher eingeschlossen, wenn sich dieses beim Betrieb des Leistungshalbleitermoduls 10 aufgrund der Temperatur des oder eines von dem Leistungshalbleitermodul 10 umfassten Leistungshalbleiters 12 verflüssigt.
  • Neben dem Deckelverdrahtungsträger 26 fungiert auch der Basisverdrahtungsträger 14 als Kühlkörper, indem dieser über seine Oberfläche durch Konvektion im Betrieb des Leistungshalbleitermoduls 10 entstehende Wärmeenergie abgibt. Diese Funktion wird durch einen grundsätzlich optionalen Kühlkörper 16, der zum Beispiel zur Vergrößerung der zur Wärmeabstrahlung wirksamen Oberfläche in an sich bekannter Art und Weise eine Vielzahl von Kühlrippen oder Kühlfinnen aufweist, unterstützt. Das in den Darstellungen in 1 und 2 gezeigte Leistungshalbleitermodul 10 umfasst demnach den Deckelverdrahtungsträger 26 und das damit kombinierte Phasenwechselmaterial für Lastspitzen und die damit einhergehenden Temperaturhübe und den Basisverdrahtungsträger 14 oder den Basisverdrahtungsträger 14 und einen daran angebrachten Kühlkörper 16 zur Abfuhr der beim normalen Betrieb des oder jedes Leistungshalbleiters 12 entstehenden Wärme.
  • Die beim Phasenübergang vom festen zum flüssigen Zustand vom Phasenwechselmaterial aufgenommene Wärmeenergie wird beim umgekehrten Phasenübergang auch wieder abgegeben. Das im Verdrahtungsträger 26 gleichmäßig verteilte Phasenwechselmaterial gibt die Wärmeenergie über die gesamte Oberfläche des Verdrahtungsträgers 26 zumindest auch an die Umgebungsluft ab. Im Wesentlichen wird die Wärme aber „nach unten“ durch das Leistungshalbleitermodul 10 und den oder jeden davon umfassten Leistungshalbleiter 12 abgegeben. Die damit einhergehende Erwärmung des oder jedes Leistungshalbleiters 12 ist beabsichtigt und bewirkt eine untere Grenze für die Temperaturschwankungen, denen der oder jeder Leistungshalbleiter 12 ausgesetzt ist. – Die Temperatur des oder jedes Leistungshalbleiters 12 wird quasi bei der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials „geklemmt“.
  • Darüber hinaus kann auch noch vorgesehen sein, dass die Wärmeübertragung mittels eines am Verdrahtungsträger 26 angebrachten Kühlkörpers (nicht gezeigt) unterstützt wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Abgabe der Wärmeenergie mittels einer am Verdrahtungsträger 26 angebrachten Wärmeleitvorrichtung (ebenfalls nicht gezeigt) unterstützt und verbessert werden. Die Oberfläche des Verdrahtungsträgers 26 oder Abschnitte der Oberfläche wird bzw. werden mittels einer solchen Wärmeleitvorrichtung zum Beispiel an ein unterhalb des Basisverdrahtungsträgers 14 strömendes Kühlmedium und/oder an ein das Leistungshalbleitermodul 10 umgebendes und ganz oder teilweise aus einem Material mit guten Wärmeleitungseigenschaften gefertigtes Gehäuse (nicht gezeigt) gekoppelt.
  • Bei der in den Darstellungen in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform des Leistungshalbleitermoduls 10 weist dieses ein insbesondere federndes Kontaktelement 34 auf, das zur Kontaktierung des Leistungshalbleiters 12 durch den Deckelverdrahtungsträger 26 hindurchreicht. Auf diese Weise kann der Leistungshalbleiter 12 besonders einfach mittels eines derartigen Kontaktelements 34 oder mehrerer Kontaktelemente 34 kontaktiert werden, zum Beispiel mittels einer oder mehrerer Leitungsschienen, die in einem das Leistungshalbleitermodul 10 umgebenden Gehäuse geführt sind. Eine derartige Möglichkeit zur elektrisch leitenden Kontaktierung des Leistungshalbleiters 12 kann neben oder an die Stelle der Möglichkeit treten, den Leistungshalbleiter 12 mittels aus der Dickschicht 18, 24 herausgeführter Anschlüsse zu kontaktieren.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch das oder die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
  • Einzelne im Vordergrund stehende Aspekte der hier eingereichten Beschreibung lassen sich damit kurz wie folgt zusammenfassen: Es wird ein Leistungshalbleitermodul 10 angegeben, bei dem ein keramischer Verdrahtungsträger 26 als Kühlkörper fungiert, indem mit dem keramischen Verdrahtungsträger 26 ein Phasenwechselmaterial kombiniert ist.
  • 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 112007001249 T5 [0003, 0017]

Claims (8)

  1. Leistungshalbleitermodul (10) mit zumindest einem Leistungshalbleiter (12) und mit einer beidseitig flächigen Kontaktierung des oder jedes Leistungshalbleiters (12) mittels jeweils eines Verdrahtungsträgers (14, 26), dadurch gekennzeichnet, dass als Verdrahtungsträger (14, 26) zumindest einseitig ein keramischer Verdrahtungsträger (26) und dieser als Kühlkörper für das Leistungshalbleitermodul (10) fungiert, indem mit dem keramischen Verdrahtungsträger (26) ein Phasenwechselmaterial kombiniert ist.
  2. Leistungshalbleitermodul (10) nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine keramische Verdrahtungsträger (26) als Kühlkörper für das Leistungshalbleitermodul (10) fungiert, indem das Phasenwechselmaterial in Kavitäten (32) des Verdrahtungsträgers (26) eingebracht ist.
  3. Leistungshalbleitermodul (10) nach Anspruch 2, wobei die Kavitäten (32) regelmäßig über die Oberfläche des Verdrahtungsträgers (26) verteilt sind.
  4. Leistungshalbleitermodul (10) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Kavitäten (32) kapillare Kavitäten (32) sind.
  5. Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als Verdrahtungsträger (14, 26) zumindest einseitig ein keramischer Verdrahtungsträger (14, 26) mit in Dickschichttechnik aufgebrachten Leiterbahnen fungiert.
  6. Leistungshalbleitermodul (10) nach Anspruch 5, mit einer als vertikaler Toleranzausgleich fungierenden Dickschicht (28).
  7. Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit zumindest einem durch einen Verdrahtungsträger (26) hindurchreichenden Kontaktelement (34).
  8. Elektrisches Gerät oder Umrichterschaltung mit zumindest einem Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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