DE102014221687B4

DE102014221687B4 - Leistungshalbleitermodul mit kurzschluss-ausfallmodus

Info

Publication number: DE102014221687B4
Application number: DE102014221687.7A
Authority: DE
Inventors: Mathias Kock; Frank Osterwald; Jacek Rudzki; Ronald Eisele; Martin Becker; Josef Lutz
Original assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Current assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Priority date: 2014-10-24
Filing date: 2014-10-24
Publication date: 2019-07-04
Anticipated expiration: 2034-10-25
Also published as: CN107112312A; US20170338193A1; CN107112312B; WO2016062589A1; DE102014221687A1

Abstract

Leistungshalbleitermodul (10), welches aus einem Betriebsmodus in einen explosionsfreien robusten Kurzschlussausfallmodus versetzbar ist und aufweist:a) einen Leistungshalbleiter (1) mit an dessen Oberseite (2) durch Isolierungen und Passivierungen abgetrennten, zumindest eine Potentialfläche bildenden Metallisierungen (3),b) einer des Weiteren vorgesehenen elektrisch leitenden Verbindungsschicht,c) auf welcher zumindest ein, einen geringen lateralen elektrischen Widerstand aufweisender, gegenüber der Verbindungsschicht deutlich dickerer Metallformkörper (4) durch Sintern so aufgebracht ist, dass dieser stofflich mit der jeweiligen Potentialfläche verbunden ist,d) wobei der Metallformkörper (4) Mittel zu einer derartigen lateralen Vergleichmäßigung eines durch ihn fließenden Stromes aufweist, dass eine laterale Stromflusskomponente (5) aufrechterhalten bleibt, und wobei der Metallformkörper (4) zumindest einen hochstromfähigen Anschluss (6) trägte) und wobei ein Übergang aus dem Betriebsmodus in den robusten Kurzschlussausfallmodus dadurch explosionsfrei erfolgt, dass die Anschlüsse (6) derart kontaktiert und dimensioniert sind, dassf) bei einem Überlaststrom von größer als dem Mehrfachen des Nennstromes des Leistungshalbleiters der Betriebsmodus in den Kurzschlussausfallmodus mit an dem Metallformkörper verbleibenden Anschlüssen ohne Bildung von Lichtbögen explosionsfrei wechselt, undg) der Anschluss zum Metallformkörper (4) mit einer Mindestquerschnittsfläche A ausgestattet ist, wobei sich A ermittelt aus dem Produkt aus Strom Iim ungünstigen Fall und wobei ζ im Bereich 0,0001 bis 0,0005 mm/A liegt, wobeih) der Metallformkörper (4) auf seiner der Verbindungsschicht zugewandten Seite eine Fläche aufweist, welche größer ist als eine Fläche der elektrischen Verbindung zu der zugehörigen Potentialfläche, und der Metallformkörper (4) mit seinem Überstand auf einer organischen, nicht-leitenden Trägerfolie fixiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul und eine Leistungshalbleiterstruktur mit einem solchen Leistungshalbleitermodul mit robustem Kurzschlussausfallmodus.
In der Leistungselektronik werden für vielfältige Anwendungsfälle wie bspw. für Steuerungseinheiten für Windkraftanlagen Halbleiterbauelemente wie bspw. Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (englisch: insolated-gate biopolar transistor, IGBT) eingesetzt. Die Vorteile eines IGBTs bestehen in einem guten Durchlassverhalten, einer hohen Sperrspannung sowie einer gewissen Robustheit. Ein IGBT nutzt die Vorteile eines Feldeffekttransistors mit seiner nahezu leistungslosen Ansteuerung und weist auch eine gewisse Robustheit gegenüber Kurzschlüssen auf, da der IGBT den Laststrom begrenzt.
Im Betrieb von Leistungshalbleitermodulen kann es aus diversen Gründen wie z. B. externen Fehlern zu Überlastung und Ausfall kommen. Beim Ausfall eines Leistungshalbleitermoduls mit oberseitigen Anschlüssen durch Bonddrähte kommt es beim Ausfall oft nach Schmelzen der Bonddrähte zu einem Lichtbogen, der eine Explosion des Moduls zur Folge hat. Für eine Reihe von Anwendungsbereichen der IGBTs im Hochleistungsbereich werden erhöhte Forderungen hinsichtlich eines explosionsfreien, zumindest eines die Folgen einer Explosion vermindernden Verhaltens gestellt. Die genannten Halbleiterbauelemente sind wegen der hohen zu schaltenden Leistungen im Bereich großer Anlagen in größeren Einheiten zusammengeschaltet, was insbesondere bei einer Explosion eines einzelnen Halbleiterbauelementes zum Totalausfall größerer Leistungseinheiten führen kann. Neben den direkten Schäden durch die Explosion wird dabei als besonders schädlich die Verunreinigung von gesamten großen Einheiten mit der durch die Explosion über alle Oberflächen verteilten Silikon-Vergussmassen-Partikel oder -Dämpfe des explodierten Moduls angesehen. Die Reparatur einer derartig beschädigten und verunreinigten Einheit würde kaum gelingen, da sämtliche Kontakte und Flächen im Rahmen der Reparatur gereinigt werden müssten, was extrem aufwändig wäre.
Die bisherigen Entwicklungen sind vornehmlich auf verbesserte Herstellbarkeit und verbesserte thermische Belastbarkeit ausgerichtet, während die Minimierung der negativen Einflüsse von Explosionen von Leistungshalbleitermodulen lediglich auf die Beherrschung ihrer Symptome, nicht jedoch auf die Vermeidung ihrer Ursachen gerichtet worden ist. Zum Beispiel wird darauf gedrängt, die Explosion eines Moduls durch Gestaltung des Gehäuses mit „Sollbruchstellen“ dahingehend beherrschbar zu gestalten, dass die Emission von Partikeln und Dämpfen in bestimmte Richtungen gerichtet wird und nicht unkontrolliert in alle Richtungen stattfindet.
In EP 0 520 294 A1 sind ein Halbleiterbauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung beschrieben, welches auf seiner Oberseite einen als Wärmepuffer dienenden, aus einem Material großer Wärmeleitung bestehenden Zusatzkörper aufweist, welcher eine erhöhte Belastbarkeit gegenüber zusätzlichen thermischen Belastungsimpulsen aufweist. Des Weiteren sind in WO 2013/053420 A1 und WO 2013/053419 A1 ein Leistungshalbleiterchip mit metallischen Formkörpern zum Kontaktieren mit Dickdrähten oder Bändchen sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Dabei wird vor allem auf Langlebigkeit und robuste Module orientiert mit diesbezüglich speziellen Forderungen an die obere und untere Verbindungsstelle des Halbleiters, welche hohen thermischen und elektrischen Anforderungen ausgesetzt sind. In üblicher Weise ist die Oberseite des Halbleiters häufig mit einer Metallisierung für einen Bondprozess dicker Aluminiumdrähte optimiert, wobei bekannt ist, dass das Versagen der Aluminiumdrähte auf der Oberseite eines derartigen Halbleiters häufig den limitierenden Faktor darstellt. Mit dem bekannten Leistungshalbleiterchip bzw. dem Verfahren zu dessen Herstellung soll die Lebensdauer und damit die Ausbeute durch eine stabilere, weniger bruchgefährdete Ausbildung verbessert werden. Dies wird bei diesem Stand der Technik durch eine Ausführung der oberseitigen Kontaktierung als Dickdraht-Kupferbondtechnologie realisiert, was nicht nur erhöhte mechanische Belastungen ermöglicht, sondern auch eine deutliche Zunahme der Strombelastbarkeit und Lastwechselfestigkeit ermöglicht. Dazu werden Formkörper aus Kupfer, Silber, Gold, Molybdän, Wolfram und ihren Legierungen mit einer Dicke von 30 µm bis 300 µm eingesetzt.
In DE 20 2012 004 434 U1 ist ein Metallformkörper beschrieben, welcher zur Schaffung einer Verbindung eines Leistungshalbleiterchips mit oberseitigen Potentialflächen zu Dickdrähten dient. Gegenüber der regelmäßig verwendeten Aluminiumdraht-Bondtechnologie auf der Oberseite des Halbleiters, wobei die Aluminiumdrähte insbesondere bei Überlasten versagen, wird bei diesem Stand der Technik auf elektrisch und thermisch gut leitende Metallformkörper ebenfalls aus Kupfer, Silber, Gold, Aluminium, Molybdän, Wolfram und ihren Legierungen in einer Stärke von 30 µm bis 300 µm orientiert, wobei bevorzugt Kupferdickdrahtbonden mit Drahtdurchmessern von bis zu 600 µm Durchmesser eingesetzt wird. Der relativ dicke Metallformkörper bietet damit die Möglichkeit, gerade auch für dünne Halbleiterelemente dicke Kupferdrähte und Kupferbändchen zur Kontaktierung auf ihrer Oberseite einzusetzen, weil nämlich die Metallformkörper die sensiblen dünnmetallisierten Oberflächen der Halbleiter mit Bonden mit Kupferdickdraht schützen. Die bekannten Metallformkörper sorgen durch ihre Wärmekapazität für eine gleichmäßigere Erwärmung und stellen somit einen Wärmepuffer dar.
Allen diesen Leistungshalbleiterbauelementen bzw. den Verfahren zu ihrer Herstellung ist gemein, dass in dem sie beschreibenden Stand der Technik die Vermeidung von Explosionen nicht thematisiert ist. In der Veröffentlichung „Explosion Tests on IGBT High Voltage Modules“ von Gekenidis et al., Reprint from the International Symposium und Power Semiconductor Devices and ICs, Mai 1999, Toronto, Kanada ist für drahtbondierte Module beschrieben, wie deren Schutz bei auftretenden Explosionen erhöht werden kann. Dabei wird beschrieben, dass in dem Gehäuse durch Kurzschluss Plasma auftreten kann, welches nicht nach außen dringen darf, damit bspw. Inverter nicht beschädigt werden können. Es wird also lediglich beschrieben, dass die Gehäuse entsprechend explosionssicher ausgeführt werden sollen, eine explosionssichere Auslegung der IGBT-Module ist nicht beschrieben. Weiterhin kann das durch einen Lichtbogen erzeugte Plasma mit seinen Temperaturen bis 20 000 °C auch nichtbrennbare Materialen der internen Isolation zersetzen und ein explosionsfähiges Gasgemisch erzeugen, so dass diese bekannte Lösung bei sehr hohen freigesetzten Energien nicht sicher ist.
In EP 2 230 689 A1 ist ein kurzschlusssicheres Halbleitermodul beschrieben. Dieses bekannte Halbleitermodul benötigt eine separate vorgeschaltete Überstromschutzeinrichtung, wobei das Halbleitermodul selbst keinen Überstromschutzschalter aufweist. Des Weiteren weist das Halbleitermodul keinen Metallformkörper auf.
In DE 10 2005 054 872 A1 ist ein vertikales Leistungshalbleiterbauelement beschrieben, welches komplett in einem Kunststoffgehäuse eingebettet ist und zwar eine Kontaktschicht aufweist, welche über eine Zwischenschicht und eine Verbindungsschicht auf einem Siliziumhalbleiter angeordnet ist. Das als Kontaktschicht bezeichnete Element weist eine unterschiedliche Dicke auf und ist ausschließlich aufgrund einer vereinfachten Montage vorgesehen. Eine beschriebene etwas größere Dicke der Metallisierung dient lediglich als Ausgleich wegen des Verlustes an Kurzschlusswiderstand, welche bei diesem bekannten Halbleiterbauelement der angestrebten extremen Reduzierung der Dicke des Körpers des eigentlichen Halbleiters geschuldet ist, wobei auf eine Lötverbindung abgestellt ist.
In DE 10 122 363 A1 ist ein Halbleitermodul beschrieben, bei welchem in einem Gehäuse ein Temperatursensor integriert ist. Dieser Temperatursensor ist mit mindestens einem seiner Lastanschlüsse an jeweils einem Anschluss für ein Versorgungspotential angeschlossen. Dieser Temperatursensor führt bei Überschreiten einer ersten Temperaturschwelle und bei angelegtem Versorgungspotential einen zu einer Erwärmung des Temperatursensors führenden Laststrom, wobei in dem Gehäuse eine Unterbrechungseinrichtung eingebaut ist, mittels welcher nach Überschreiten einer zweiten Temperaturschwelle zumindest die laststromführenden Ausgangsleitungen unterbrochen werden. Dieses bekannte Halbleitermodul weist weder eine große flächenmäßige Erstreckung des Metallformkörpers auf, noch ist dieser mit seinem Überstand auf einer organischen, nicht-leitenden Trägerfolie fixiert.
DE 10 2008 056 145 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Schutz eines Halbleiterelementes gegen Spannungsspitzen und/oder Überströme. Mittels einer integrierten pyrotechnischen Ladung wird ein Stromfluß im Halbleiterbauelement bei Auftreten von Spannungsspitzen und/oder Überströmen unterbrochen. Eine zuverlässige explosionssichere Abschaltung im Sinne eines Kurzschlussausfallmodus ist damit nicht realisierbar, zumal eine große flächenmäßige Erstreckung des Metallformkörpers nicht vorhanden ist und der Metallformkörper mit seinem Überstand auch nicht auf einer organischen, nicht-leitenden Trägerfolie fixiert ist.
In DE 10 2011 115 887 A1 ist ein Leistungshalbleiterchip mit wenigstens einer oberseitigen Potentialfläche und kontaktierenden Dickdrähten oder Bändchen mit einer Verbindungsschicht auf dem Potentialflächen und wenigstens einem metallischen Formkörper auf der Verbindungsschicht beschrieben, dessen zur Potentialfläche gewandte untere Flachseite zur Fügung mit einem Verbindungsverfahren der Verbindungsschicht ausgebildet ist. Eine große flächenmäßige Erstreckung des Metallformkörpers ist ebenso wenig beschrieben wie die Tatsache, dass der Metallformkörper einen Überstand aufweist und mit diesem auf einer organischen, nicht-leitenden Trägerfolie fixiert ist.
In dem Conference Paper „Explosion Proof Housings for IGBT Module based High Power Inverters in HVDC Transmission Application“, von Billmann et al., Proceedings PCIM Europe 2009 Conference ist ebenfalls beschrieben, dass bei drahtbondierten IGBT-Modulen deren Lebensdauer und Lastwechselfähigkeit erhöht werden soll und dass Schaden an einem Inverter in Folge von Überlastbedingungen auftreten kann, weil die IGBTs explodieren. Daher wird Augenmerk auf die Ursachenforschung für die Explosion, welche in der Ausbildung von Lichtbögen bestehen, gelegt und als Maßnahmen, in Folge von in IGBTs auftretenden Explosionen zu minimieren, eine verbesserte Gestaltung von Gehäusen im Sinne von explosionssicheren Gehäusen mit höherer Steifigkeit beschrieben. Es werden also lediglich mechanische Konstruktionsverbesserungen am Gehäuse beschrieben.
Halbleiterbauelemente mit direkter Druckkontakttechnik, wie sie in Lutz, Halbleiter-Leistungsbauelemente, in 4.3 für Thyristoren und in 4.4 für IGBTs beschrieben sind, gelten bereits als explosionssicher, da sich dort eine großflächige Verbindung hoher Stromtragfähigkeit bildet und das Halbleiterchip, das durchlegiert, sicher kurzschließt.
Aber auch mit Aufbauten, wie sie dort in 4.10 für ein Thyristormodul in Löttechnik dargestellt sind, ist im Allgemeinen der Ausfall nicht mit einer Explosion verbunden. Auch hier legiert der Halbleiterkörper durch. Eine großflächige gelötete obere Kontaktierung und ein gelöteter Anschluss mit einem Kupferblech ausreichender Dicke ermöglichen das Tragen eines Stroms auch noch nach dem Ausfall, wobei dies jedoch nicht weiter spezifiziert ist. Für IGBTs sind solche Bauformen jedoch nicht üblich und nicht ohne Weiteres auf deren Bauform übertragbar. Vor allem aber sind in diesen Thyristorgehäusen, im Gegensatz zu Gehäusen mit modernen IGBTs, keine Parallelschaltungen untergebracht, welche im Leistungshalbleitermodulbereich jedoch in der Regel vorliegen.
Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, Leistungshalbleitermodule sowie Leistungshalbleiterstrukturen mit zumindest einem derartigen Leistungshalbleitermodul zu schaffen, welche einen sog. robusten Kurzschluss-Ausfallmodus derart gestatten, dass Explosionen des Leistungshalbleitermoduls vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Leistungshalbleitermodul mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Gemäß der Erfindung ist das Leistungshalbleitermodul so ausgebildet, dass es von einem Betriebsmodus in einen explosionsfreien robusten Kurzschlussausfallmodus versetzbar ist, welcher auch als SCFM (englisch: short circuit faillure mode) bezeichnet wird. Das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul weist einen Halbleiter auf, welcher bspw. ein IGBT oder ein anderes Leistungsbauelement ist und an seiner Oberseite Potentialflächen bildende Metallisierungen aufweist, welche durch Isolierungen und Passivierungen abgetrennt sind. Auf einer des Weiteren vorgesehenen elektrisch leitenden Verbindungsschicht ist ein Metallformkörper durch Sintern so aufgebracht, dass dieser stofflich bzw. stoffschlüssig mit der jeweiligen Potentialfläche verbunden ist. Gegenüber der Verbindungsschicht ist der Metallformkörper deutlich dicker ausgebildet und weist einen geringen lateralen elektrischen Widerstand auf. Erfindungsgemäß weist der Metallformkörper Mittel zu einer derartigen lateralen Vergleichmäßigung des durch ihn fließenden Stromes auf, dass seine laterale Stromflusskomponente aufrecht erhalten bleibt, und zwar ohne dass der Metallformkörper die darauf angebrachten hochstromfähigen Anschlüsse und damit verbundene Teile des Leistungshalbleitermoduls Schaden nehmen. Ein Übergang aus dem Betriebsmodus in den robusten Kurzschlussausfallmodus erfolgt dadurch explosionsfrei, dass die Anschlüsse so kontaktiert und dimensioniert sind, dass bei Überstromlasten von größer als dem Mehrfachen des Nennstromes des Leistungshalbleitermoduls der Betriebsmodus in den Kurzschlussausfallmodus (SCFM) übergeht, und zwar mit an dem Metallformkörper verbleibenden Anschlüssen ohne Bildung von Lichtbögen, sodass der Übergang von dem Betriebsmodus in den Kurzschlussausfallmodus explosionsfrei wechselt. Die hochstromfähigen Anschlüsse weisen zum Metallformkörper eine Mindestquerschnittsfläche A auf, deren Größe sich aus dem Produkt aus dem Strom Iwc im ungünstigsten Fall, d. h. den ungünstigsten Bedingungen, und einem Koeffizienten ζ im Bereich von 1 × 10^-4 bis 5 × 10^-4 mm²/A bemisst. Der Metallformkörper weist auf seiner der Verbindungsschicht zugewandten Seite eine Fläche auf, welche größer ist als die Fläche der elektrischen Verbindung zu der zugehörigen Potentialfläche, und ist mit seinem Überstand auf einer organischen, nicht-leitenden Trägerfolie fixiert.
Vorzugsweise bemisst sich der Strom Iwc im ungünstigsten Fall aus dem Produkt aus dem zweifachen Nennstrom des Leistungshalbleitermoduls und der Anzahl der Chips pro Modul.
Vorzugsweise ist eine mit einem Stromkreis des Leistungshalbleitermoduls verbundene Sicherung vorgesehen. Das Leistungshalbleitermodul wechselt explosionsfrei in den robusten Kurzschlussausfallmodus, bis die Sicherung ausgelöst hat und der Überlaststrom abgeschaltet ist. Die Sicherung benötigt zu ihrer Reaktion eine gewisse Zeit, um das Leistungshalbleitermodul von der Stromquelle zu trennen. Das Leistungshalbleitermodul ist daher so dimensioniert, dass wegen der üblichen Trägheit der Sicherungen der robuste Kurzschlussausfallmodus mindestens die Trägheitszeiten der Sicherung überbrückt.
Im Gegensatz zum Stand der Technik, welcher lediglich darauf gerichtet ist, dass die Gehäuse so ausgebildet werden, dass im Falle einer während des Betriebs auftretenden Explosion bspw. eines IGBT lediglich die durch die Explosionen freigesetzten Kräfte vom Gehäuse aufgenommen werden, so dass Beschädigungen benachbarter Module und Komponenten bspw. in einem kompletten Stack vermieden werden, d. h. dass das Gehäuse des Leistungshalbleiters eine Ausbreitung von Schäden infolge der Explosion verhindert, ist bei der vorliegenden Erfindung ein derartiger Aufbau gewählt, dass Explosionen gar nicht erst auftreten. Dies wird vor allen Dingen dadurch erreicht, dass der laterale Stromfluss im Metallformkörper vergleichmäßigt ist, und zwar vorzugsweise zumindest so lange, bis eine vorhandene Sicherung das Leistungshalbleitermodul abschaltet, was vor einem Explodieren realisiert werden kann.
Vorzugsweise weist der Metallformkörper eine solche Größe bzw. eine solche Erstreckung auf, dass mindestens 70 % bis vorzugsweise 95%, gegebenenfalls 100% der Metallisierungen am Leistungshalbleiter bedeckt sind. Auf Grund der Tatsache, dass also der Metallformkörper nicht nur eine entsprechend erforderliche deutlich größere Dicke als die Verbindungsschicht aufweist, sondern auch eine möglichst große flächenmäßige Erstreckung hat, kann der laterale Stromfluss vergleichmäßigt werden, was seinerseits Grundvoraussetzung für das erfindungsgemäße explosionsfrei ausgebildete Leistungshalbleitermodul ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Leistungshalbleitermodul so dimensioniert, dass ein Verhältnis von Anschluss-Querschnittsfläche zu Anschluss-Kontaktfläche plus Anschluss-Kontaktumfang multipliziert mit der Dicke des Metallformkörpers in einem Bereich von 0,05 ...1,0 liegt. Für eine explosionsfreie Ausbildung des Leistungshalbleitermoduls ist es also vorzugsweise erforderlich, dass die angegebene Dimensionierungsvorschrift vorzugsweise in dem Bereich des definierten Verhältnisses liegt. Es kommt also darauf an, dass die Querschnittsfläche der Anschlüsse trotz des vorhandenen eingeschränkten zur Verfügung stehenden Platzes ebenso wie die durch die Anschlüsse gebildete Kontaktfläche möglichst groß sind, wobei zur Bestimmung des angegebenen Verhältnisses auch noch der Umfang der Anschlusskontakte sowie die tatsächliche Dicke des Metallformkörpers in das Verhältnis, d. h. in die Dimensionierungsvorschrift eingehen. Dies hat den Vorteil, dass der bezogen auf den Halbleiter relativ dicke und großflächig angeordnete Metallformkörper einerseits den Halbleiter zusätzlich schützt, andererseits auch eine Gewährleistung bietet, dass sog. Dickdrähte bzw. dicke Anschlüsse anderer Ausbildungen zuverlässig mit entsprechend großer Kontaktfläche mit dem Metallformkörper dauerhaft mechanisch und elektrisch verbunden werden können.
Weiter vorzugsweise bestehen der Metallformkörper und die Anschlüsse aus demselben Material, vorzugsweise Kupfer, und bilden die Anschlüsse einen Monometallkontakt zu dem Metallformkörper. Dabei handelt es sich um eine spezielle Anwendung in der Aufbau- und Verbindungstechnik mikroelektronischer Systeme. Unter monometallischer Fügeverbindung ist eine solche zu verstehen, welche keine intermetallischen Phasen ausbildet. Diese Verbindungstechnik wird vor allen Dingen für das Stapeln gedünnter Chips im Waferverbund verwendet, um geringste Aufbauhöhen und damit höchste Packungsdichten bei geringer Temperaturbelastung und höchster Zuverlässigkeit der hergestellten Verbindung u. a. auch wegen der Vermeidung intermetallischer Phasen zu ermöglichen.
Weiter bevorzugt werden als Anschlüsse Dickdrähte, Bändchen oder Laschen verwendet, welche mittels Bonden am Metallformkörper befestigt sind.
Die Querschnittsfläche A des einzelnen bzw. die Summe der Querschnittsflächen mehrerer Anschlüsse ist so gewählt, dass auch im Fall der üblichen Parallelschaltung in Modulen - mit bis zu 24 einzelnen Chips - die Anschlüsse nicht durchschmelzen, zumindest während einer gewissen Zeit. Dazu muss im ungünstigsten Fall der Anschluss eines Bauelements den Strom aller 24 Chips übernehmen, ohne durch Schmelzen einen Lichtbogen zu erzeugen. Haben diese Chips beispielsweise einen Nennstrom von 150A und wird der doppelte Nennstrom angenommen, so ergeben sich 7200A als kurzzeitige Stromtragfähigkeit Iwc des ungünstigsten Falls.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der Metallformkörper in seiner flächenmäßigen Erstreckung mit einer variierenden Dicke ausgebildet, und zwar derart, dass in seinen Randbereichen eine geringere Dicke als in seinem Mittelbereich vorherrscht. Die Variation der Dicke des Metallformkörpers kann dabei gestuft oder mit kontinuierlichen Übergängen ausgebildet sein. Vorzugsweise nimmt die Dicke des Metallformkörpers von seiner Mitte zu seinen Randbereichen hin ab, und zwar entweder kontinuierlich oder gestuft. Die unterschiedliche Dicke des Metallformkörpers an seinen Randbereichen im Vergleich mit seinem zumindest im Bereich zu seinem Mittelbereich dient u. a. zur weiteren Vergleichmäßigung des lateralen Stromflusses durch Anpassung des elektrischen Widerstandes des Metallformkörpers. Eine derartige Ausführungsform hat auch weitere thermochemische Vorteile dahingehend, dass die mechanische Spannung zwischen Silizium und dem Metallformkörper reduziert wird.
Vorzugsweise können die Metallformkörper auch Ausnehmungen in Form von Löchern oder Schlitzen aufweisen, z. B. um die thermomechanischen Spannungen zwischen Metallformkörper und Halbleiter zu minimieren. Jedoch sind diese Ausnehmungen derart zu dimensionieren und anzuordnen, dass sie die laterale Stromflusskomponente nicht nennenswert behindern. Günstig sind also beispielsweise sternförmig gerichtete Schlitze oder Lochreihen anstelle solcher, die auf Sektoren konzentrischer Kreise angeordnet sind.
Vorzugsweise ist das Leistungshalbleitermodul gemäß der Erfindung so ausgebildet, dass das Mehrfache des Nennstroms des Leistungshalbleiters im Bereich von 1000 bis 1500 A, ggf. auch höher, liegt.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Metallformkörper auf seiner der Verbindungsschicht zugewandten Seite vorzugsweise eine Fläche auf, welche größer ist als die Fläche der elektrischen Verbindung zu der zugehörigen Potentialfläche. Der Metallformkörper ist mit seinem durch seine größere Fläche sich ergebenen Überstand mit diesem Überstand auf einer organischen, nicht leitenden Trägerfolie fixiert. Der Vorteil eines möglichst großen Metallformkörpers liegt darin, dass eine Vergleichmäßigung des lateralen Stromflusses umso besser realisiert werden kann, je größer dieser Metallformkörper ausgebildet ist.
Vorzugsweise ist die Trägerfolie so ausgebildet bzw. weist eine solche Größe auf, dass diese nicht zu fügende Bereiche der Oberfläche des Leistungshalbleiters haftend bedeckt. Damit schützt die Trägerfolie einen Bereich des Leistungshalbleiters, auf welchem keine weiteren Elemente gefügt sind.
Vorzugsweise ist der Leistungshalbleiter des Leistungshalbleitermoduls so ausgebildet, dass er sowohl an seiner Oberseite als auch an seiner Unterseite jeweils einen Metallformkörper aufweist. D. h. außer dem oberseitigen Metallformkörper ist ein weiterer Metallformkörper an der Unterseite des Leistungshalbleiters angeordnet, wobei der weitere Metallformkörper mittels einer weiteren durch Niedertemperatursintern, insbesondere Silber-Niedertemperatursintern, erzeugten elektrischen Verbindungsschicht mit dem Leistungshalbleiter verbunden ist. Damit kann die Kompaktheit des Leistungshalbleitermoduls weiter erhöht werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung können auf dem Leistungshalbleitermodul auch mehrere mit Potentialen versehene oberseitige Potentialflächen vorgesehen sein, auf welchen jeweils eine der Anzahl der Potentialflächen entsprechende Anzahl von Metallformkörpern angeordnet sind.
Im Stand der Technik ist Aluminium als Material für die Verbindungsschicht wie auch für die Anschlüsse in breiter Anwendung vorgesehen, was normalerweise gerade keine Explosionssicherheit gewährleistet. Bei einer defekten Halbleiterzelle, welche defektbedingt niederohmig wird und den gesamten Laststrom zieht, führt ihr relativ geringer Querschnitt lokal zum Verdampfen der Aluminium-Metallisierung, d. h. der Verbindungsschicht, was die Drähte zu einem sehr frühen Zeitpunkt davon abheben lässt, wodurch ein wachsender Lichtbogen mit der Folge einer Explosion entsteht. Vorzugsweise ist bei dem Leistungshalbleitermodul gemäß der Erfindung nun weiter vorgesehen, dass der Metallformkörper aus einem Material mit einem Schmelzpunkt von mindestens 300 K höher als dem von Aluminium besteht, wobei das Material insbesondere Kupfer, Silber, Gold, Molybdän, Wolfram oder deren Legierung ist und wobei die Verbindungsschicht einen vergleichbar hohen Schmelzpunkt aufweist und insbesondere aus Silber, Kupfer oder Gold besteht. Durch den gegenüber Aluminium deutlich höheren Schmelzpunkt wird das Entstehen von Lichtbögen hervorrufenden Explosionen deutlich vermindert bzw. sogar verhindert.
Die Leistungshalbleitermodule sind in der Regel in einem Verbund angeordnet und mit vorzugsweise extern angeordneten Sicherungen versehen. Die Aufgabe der Sicherung besteht darin, bei deutlich über dem Nennstrom liegenden Überströmen ein Abschalten des jeweiligen Leitungshalbleitermoduls in einem Verbund von mehreren derartigen Modulen zu gewährleisten, und zwar bevor im Innern eines derartigen Leistungshalbleitermoduls eine durch einen Lichtbogen hervorgerufene Explosion auftritt.
Das Leistungshalbleitermodul mit den Merkmalen gemäß den Ansprüchen 1 bis 17 ist zum Einsatz in durch Explosion gefährdeten Umgebungen vorgesehen, insbesondere in Steuerungseinheiten für Windkraftanlagen. Bspw. bei Steuerungseinheiten für Windkraftanlagen sind zahlreiche Leistungshalbleitermodule zu Leistungshalbleiterstrukturen im Sinne von großen Baueinheiten zusammengefügt, so dass besonders dort zur Vermeidung von Beschädigungen benachbarter Module in einem Verbund aus Leistungshalbleitermodulen im Falle des Kurzschlusses eines einzigen Halbleitermoduls dazu benachbarte Leistungshalbleitermodule und Komponenten nicht in Mitleidenschaft gezogen werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden nun anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. In den Zeichnung zeigen:

1: eine vereinfachte Darstellung eines defekten Halbleitermoduls in bekannter Bauart;
2: eine vereinfachte Darstellung eines defekten Halbleitermoduls mit prinzipieller Darstellung der erfindungsgemäßen Ausbildung mit sogenanntem DBB (Metallformkörper);
3: drei verschiedene Ausbildungen des Randbereiches des Metallformkörpers bei der Einfachheit halber weggelassenen weiteren Elementen des Halbleitermoduls; und
4: eine vereinfachte Darstellung der Schmelzzone, die sich im Kurzschlussfall ausbildet.

1 zeigt in prinzipieller Anordnung eine Teilansicht eines defekten Halbleitermoduls, bei welchem ein Leistungshalbleiter 1 gezeigt ist, auf welchem eine relativ dünne Metallisierung in Form einer Verbindungsschicht auf der Oberseite 2 des Leistungshalbleiters 1 vorgesehen ist. Diese Metallisierung 3 dient der Möglichkeit der Verbindung eines vorzugsweise Aluminiumdickdrahtes 6 zu dessen Befestigung auf der Metallisierung 3 im Wege des Dickdrahtbondens. Diese Anordnung eines Halbleitermoduls entspricht dem bekannten Stand der Technik. Im Leistungshalbleiter 1 ist durch eine gezackte Linie ein Defekt gezeichnet, welcher dazu führen kann, dass der durch den Pfeil eingezeichnete prinzipielle Verlauf des Stromflusses 5 zu dessen Durchtritt durch den Defekt im Leistungshalbleiter 1 führt. Bei dieser bekannten Anordnung einer Leistungshalbleiterzelle 1 ist im Falle des dargestellten Defektes und der Verwendung der dünnen Metallisierungsschicht zum Bondieren des Aluminiumdickdrahtes die Durchbrennwahrscheinlichkeit aufgrund der Halbleitereigenschaften und der thermischen Randbedingungen in der nicht vom Bonddraht 6 bedeckten Fläche des Leistungshalbleiters 1 am höchsten. Ein wesentliches Problem dieser bekannten Halbleitermodule besteht darin, dass aufgrund ihrer konstruktiven Ausbildung eine Explosion auftreten kann. Da für Steuerungsanlagen zahlreiche dieser Leistungshalbleitermodule 10 in einem Verbund zusammengefasst sind, sind derartige Explosionen aus verschiedenen Gründen gefürchtet. Zum Einen treten bei einer Explosion schädliche Dämpfe und wegen der hohen Temperaturen Plasma auf, welche zahlreiche benachbarte Halbleitermodule und Komponenten beschädigen oder ebenfalls zerstören können. Damit kann eine gesamte Steuerungseinheit unbrauchbar werden. Zum Anderen kann wegen der schädlichen Stoffe, die bei einer Explosion freigesetzt werden können, eine solche Explosion auch Schaden für Leib und Leben der diese Steuerungseinheiten wartenden oder betreibenden Personen nach sich ziehen.
Explosionen treten in der Regel auf, wenn Überlastströme durch die einzelnen Zellen strömen, was z. B. der Fall sein kann, wenn ein Motor, welcher mit der Steuerungseinheit gesteuert wird, blockieren sollte. Des Weiteren können Überlasten auch durch Alterung der Elemente der Leistungshalbleitermodule 10 auftreten. Während des Betriebes wird sich vorranging ein geschädigtes Leistungshalbleitermodul 10 zuerst erwärmen, welches als schwächste Zelle dann auch zuerst ausfällt bzw. das Modul darstellt, welches die höchste Temperatur erreicht. Dieses Halbleitermodul wird lokal leitfähig und niederohmig und zieht dadurch weiter Strom an sich. Bei derartigen Überlastströmen kommt die in 1 dargestellte dünne Metallisierung 3 relativ rasch in einen Zustand der Überlastung. Die Bonddrähte 6, welche eine Dicke von ca. 100 - 500 µm aufweisen und mittels Ultraschall-Reibschweißen wie auch unter Druckschweißen an die dünne Metallisierungsschicht 3 angeschweißt sind, haben - bezogen auf den Umfang des Bonddrahtes 6 - eine geringe Ausdehnung einer relativ ebenen Verbindungsfläche mit der Metallisieru ngsschicht.
Um bei den Halbleitermodulen eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Stromes zu erreichen, sind innerhalb einer Zelle möglichst viele Drähte, d. h. viele Anschlüsse 6 vorgesehen. Der Platzbedarf eines Halbleitermoduls beschränkt jedoch die Anzahl der Anschlüsse. Bei Überlast löst sich zuerst die Metallisierungsschicht 3 um den Bereich der unmittelbaren Anschlüsse 6 auf, weshalb die dort vorhandenen Drähte relativ rasch abheben und eine elektrische Verbindung unterbrechen. Das wiederum führt zu einer höheren Belastung für die verbliebenen, noch verbundenen Drähte. Nachdem sich weitere Drähte gelöst haben, entsteht ein Lichtbogen beim Lösen des letzten Drahtes in einem Halbleitermodul. Die extrem hohen Temperaturen, welche in einem Lichtbogen entstehen, führen dazu, dass Material im Bereich des Lichtbogens verdampft und ein Plasma entsteht, so dass das betroffene Halbleitermodul explodiert mit den zuvor genannten Folgen für die gesamte Steuereinheit.
In 2 ist ebenfalls ein defektes Halbleitermodul gezeigt, in welchem auf der Oberseite 2 des Leistungshalbleiters 1 auf der Metallisierungsschicht ein Metallformkörper 4 angeordnet ist, auf welchem ein Dickdraht 6 an einer Anschlusskontaktfläche 7 befestigt ist. Der Metallformkörper 4 weist eine Dicke 8 auf, welche im Bereich von 100 - 400 µm liegt, d. h. eine Dicke, welche im Bereich der Dicke der Bonddrähte 6 liegt, nämlich im Bereich von 100 - 500 µm. Ebenso eingezeichnet ist der Stromfluss 5 vom Bonddraht 6 über die Anschlusskontaktfläche 7 durch den Metallformkörper 4 mit einem im Wesentlichen lateralen Stromfluss 5 in diesem Metallformkörper, dann aus dem Metallformkörper 4 stirnseitig austretend durch die Metallisierung 3 auf der Oberseite 2 des Leistungshalbleiters 1 und schließlich durch die Defektstelle des Leistungshalbleiters 1.
Überraschenderweise hat sich nun gezeigt, dass mit einem relativ dicken Metallformkörper 4 eine wesentlich besser ausgeprägte laterale Stromflusskomponente mit einer leichteren Abführbarkeit auch von Überströmen durch eine erfindungsgemäße Ausbildung eines Halbleitermoduls gemäß 2 gegeben ist. Aufgrund der relativ großen Materialdicke weist das dort vorhandene viele Material, in der Regel Kupfer, einen relativ geringen elektrischen Widerstand in lateraler Richtung auf.
Es hat sich nun gezeigt, dass bei entsprechender Dimensionierung eines Halbleitermoduls mit einem Metallformkörper 4 in der Art wie in 2 dargestellt, Explosionsfreiheit selbst unter Überlastströmen für ein derartiges erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul 10 gewährleistet werden kann. Die Mittel zur Vergleichsmäßigung des lateralen Stromflusses 5 bestehen darin, dass dieser aufgrund der Materialkonzentration in dem Metallformkörper 4 bzw. DBB im Falle von Überlastströmen dennoch lange genug aufrecht erhalten werden können, dass eine zum Halbleitermodul gehörende bzw. mit diesem verbundene Sicherung, welche auch extern angeordnet sein kann, schaltet. Aufgrund der Aufrechterhaltung des lateralen Stromflusses 5 über einen deutlich längeren Zeitraum als bei den bekannten Verbindungskonstruktionen kann eine Explosion verhindert werden. Dazu ist auch die Dimensionierung der Größe des Metallformkörpers 4 bedeutsam. Nämlich mindestens 70 bis 95% der Emitterfläche des Leistungshalbleiters 1 sind mit dem Metallformkörper 4 bedeckt, so dass auch über diese Maßnahme eine Explosionsverzögerung von ca. 300 µs erreicht wird, was ausreicht, damit eine zugehörige Sicherung abschalten kann. Für die Vergleichmäßigung spielen also die Parameter/Größe der Anschluss-Querschnittsfläche, Größe der Anschluss-Kontaktfläche sowie Größe des Anschluss-Kontaktumfangs und die Dicke des Metallformkörpers 4 eine Rolle. Zum Einen kann die Anschluss-Kontaktfläche 7 größer als bei einer Ausbildung gemäß 1 sein, weil beim Verbinden des Bonddrahtes 6 mit dem Metallformkörper 4 an der Anschluss-Kontaktstelle 7 der Bonddraht 6 sich besser mit dem Metallformkörper 4 verbinden kann und mit diesem eine tatsächliche Kontaktfläche erzeugen kann, welche sich über einen größeren Umfangsbereich des Bonddrahtes 6 erstreckt, als das im Ausführungsbeispiel gemäß dem Stand der Technik nach 1 der Fall ist. Wenn das Verhältnis von Anschluss-Querschnittsfläche zu Anschluss-Kontaktfläche plus dem Anschluss-Kontaktumfang multipliziert mit der Dicke des Metallformkörpers in einer Größenordnung von 0,05 - 1 liegt, sind konstruktive Maßnahmen geschaffen, welche in überraschender Weise zu einem explosionsfreien Betreiben der Halbleitermodule führen, selbst wenn diese Defektstellen aufweisen sollten.
Bezüglich der Dimensionierung kann nachfolgend vereinfachte rechnerische Abschätzung angewendet werden.
Die Mindestquerschnittsfläche A des Anschlusses 6, der die Dicke 12 aufweist und der aus einem Stück bzw. aus parallel geführten vielen einzelnen Verbindern bestehen kann, ist so ausgelegt, dass sie der Beziehung $A = \sqrt{\frac{ρ \cdot t_{p}}{Δ T \cdot C_{s p e c}} \cdot I_{w c}}$
genügt, wobei ρ der spezifische Widerstand, t_p die Pulslänge bis zum Ende des Überstromereignisses bzw. Auslösen einer Sicherung, ΔT der mögliche Temperaturanstieg von der Betriebstemperatur Top bis zum Erreichen der Schmelztemperatur T_melt $Δ T = T_{melt} - T_{op}$
C_spec die spezifische Wärmekapazität des verwendeten Materials und I_wc der beschriebene Strom im ungünstigsten Fall (Worst Case) ist, der sich beispielsweise ergibt aus $I_{wc} = 2 * Nemmstrom des Moduls * Zahl der Chips parallel pro Modul$
Sinnvoll sind hier Materialien hoher elektrischer Leitfähigkeit wie Cu, Ag, Au. aber auch Al. Die vorstehende Abschätzung lässt sich vereinfachen zu $A = ξ * I_{wc}$
Für ζ ergibt sich bei Verwendung von Cu und Ag und bei einer Auslegung auf t_p = 10 ms der Bereich $ξ = 0,0001 bis 0 {,0005 mm}^{2} / A,$
und bei Verwendung von Gold ergibt sich aufgrund der schlechteren elektrischen Leitfähigkeit und geringeren spezifischen Wärme $ξ = 0,00015 bis 0 {,0008 mm}^{2} / A,$
bei Verwendung von Al ergibt dieselbe Abschätzung aufgrund der niedrigeren Schmelztemperatur von Al und anderen in Gl. (1) enthaltenen Parametern den Bereich $ξ = 0,0002 bis 0 {,001 mm}^{2} / A .$
Das ist gegenüber Cu und Ag die doppelte Querschnittsfläche, was jedoch wegen beschränkter Platzkapazität im Modul technisch schwerer zu realisieren ist. Beispielsweise hat ein Modul einen Nennstrom von 3600 A. Darin sind 24 Chips parallel geschaltet. Im ungünstigsten Fall muss ein Verbinder über 10 ms den doppelten Nennstrom tragen, was 7200 A sind. Die Mindestquerschnittsfläche des Verbinders muss dann bei Verwendung von Cu oder Ag zwischen 0,72 mm² und 3,6 mm² betragen. Diese Fläche kann durch ein flächiges Stück oder durch verschiedene einzelne parallele Bonddrähte erreicht werden.
Für besonders kompakte Ausgestaltungen von Halbleitermodulen bzw. Leistungshalbleitermodulen 10 ist es auch möglich, dass der eigentliche Leistungshalbleiter 1 nicht nur an seiner Oberseite 2 auf einer darauf angeordneten Metallisierungsschicht 3 einen Metallformkörper 4 trägt, sondern es ist auch möglich, dass an der Unterseite 9 des Leistungshalbleiters 1 ebenfalls eine Metallisierungsschicht 3 vorgesehen ist, mit welcher ein weiterer Metallformkörper 4 verbunden ist. Um eine entsprechende Explosionsfreiheit zu gewährleisten, ist dieser weitere Metallformkörper selbstverständlich unter analogen Entwurfsparametern auszulegen.
Gemäß einem weiteren in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Metallformkörper 4 eine Form auf, in welcher sich seine Dicke im Mittelbereich 4.1 von der im Randbereich 4.2 unterscheidet. Die Variation der Dicke 8 des Metallformkörpers 4 im Randbereich 4.2 ist dabei dergestalt, dass im Randbereich 4.2 diese Dicke 8 von der maximalen Dicke 8 des Metallformkörpers 4 zum unmittelbaren Rand hin eine kontinuierliche Dickenabnahme (siehe 3a) ausgebildet ist.
In 3b) ist diese kontinuierliche Abnahme der Dicke im Randbereich 4.2 eine lineare Abnahme. Im Randbereich 4.2 gemäß 3c) ist die Abnahme der Dicke durch eine gestufte Ausbildung realisiert. Bezogen auf die Dicke des Bonddrahtes 6 ist die Dickenabnahme im Randbereich 4.2 relativ gering und liegt im Bereich von ca. 1 - 5 µm.
In 4. wird eine Schmelzzone 11 dargestellt. Diese Schmelzzone entsteht zwischen dem Metallformkörper 4, der Metallisierungsschicht 3 (zusammen mit der Verbindungsschicht) und dem Siliziumchip 1. Die Schmelzzone 11 entsteht durch eine sehr hohe Stromkonzentration im Bereich des Defektes und dadurch entstehende Wärme. Die Schmelzzone hat einen niedrigen Widerstand und kann über längere Zeit den Kurzschlussstrom tragen, und zwar ohne Ausbildung eines Lichtbogens, welcher bei bekannten Leistungshalbleitermodulen zu deren Explosion führen kann.
Bezugszeichenliste

1: Leistungshalbleiter
2: Oberseite
3: Metallisierung / Potentialfläche
4: Metallformkörper
4.1: Mittelbereich
4.2: Randbereich
5: laterale Stromflusskomponente
6: Anschluss / Dickdraht / Bonddraht
7: Anschluss-Kontaktfläche
8: Dicke des Metallformkörpers
9: Unterseite
10: Leistungshalbleitermodul
11: Schmelzzone
12: Dicke des Anschlusses

Claims

Leistungshalbleitermodul (10), welches aus einem Betriebsmodus in einen explosionsfreien robusten Kurzschlussausfallmodus versetzbar ist und aufweist: a) einen Leistungshalbleiter (1) mit an dessen Oberseite (2) durch Isolierungen und Passivierungen abgetrennten, zumindest eine Potentialfläche bildenden Metallisierungen (3), b) einer des Weiteren vorgesehenen elektrisch leitenden Verbindungsschicht, c) auf welcher zumindest ein, einen geringen lateralen elektrischen Widerstand aufweisender, gegenüber der Verbindungsschicht deutlich dickerer Metallformkörper (4) durch Sintern so aufgebracht ist, dass dieser stofflich mit der jeweiligen Potentialfläche verbunden ist, d) wobei der Metallformkörper (4) Mittel zu einer derartigen lateralen Vergleichmäßigung eines durch ihn fließenden Stromes aufweist, dass eine laterale Stromflusskomponente (5) aufrechterhalten bleibt, und wobei der Metallformkörper (4) zumindest einen hochstromfähigen Anschluss (6) trägt e) und wobei ein Übergang aus dem Betriebsmodus in den robusten Kurzschlussausfallmodus dadurch explosionsfrei erfolgt, dass die Anschlüsse (6) derart kontaktiert und dimensioniert sind, dass f) bei einem Überlaststrom von größer als dem Mehrfachen des Nennstromes des Leistungshalbleiters der Betriebsmodus in den Kurzschlussausfallmodus mit an dem Metallformkörper verbleibenden Anschlüssen ohne Bildung von Lichtbögen explosionsfrei wechselt, und g) der Anschluss zum Metallformkörper (4) mit einer Mindestquerschnittsfläche A ausgestattet ist, wobei sich A ermittelt aus dem Produkt aus Strom I_wc im ungünstigen Fall und wobei ζ im Bereich 0,0001 bis 0,0005 mm²/A liegt, wobei h) der Metallformkörper (4) auf seiner der Verbindungsschicht zugewandten Seite eine Fläche aufweist, welche größer ist als eine Fläche der elektrischen Verbindung zu der zugehörigen Potentialfläche, und der Metallformkörper (4) mit seinem Überstand auf einer organischen, nicht-leitenden Trägerfolie fixiert ist.
Leistungshalbleitermodul (10) nach Anspruch 1, welches eine mit einem Stromkreis des Leistungshalbleitermoduls verbundene Sicherung aufweist und bei dem Überlaststrom in den robusten Kurzschlussausfallmodus explosionsfrei wechselt, bis die Sicherung ausgelöst hat und der Überlaststrom abgeschaltet ist.
Leistungshalbleitermodul (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Anschluss aus Silber, Kupfer, Gold oder Aluminium ist.
Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem der Metallformkörper (4) mindestens 70% bis 100% der Potentialflächen bildenden Metallisierungen bedeckt.
Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem ein Verhältnis von Anschluss-Querschnittsfläche zu Anschluss-Kontaktfläche (7) plus Anschluss-Kontaktumfang multipliziert mit der Dicke (8) des Metallformkörpers im Bereich von 0,05 bis 1 liegt.
Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem der Metallformkörper (4) und die Anschlüsse (6) aus demselben Material bestehen und die Anschlüsse (6) einen Monometallkontakt zu dem Metallformkörper (4) bilden.
Leistungshalbleitermodul (10) nach Anspruch 6, bei welchem die Anschlüsse (6) mittels Bonden befestigte Dickdrähte, Bändchen oder Laschen oder durch Druck kontaktierte Federn sind.
Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem der Metallformkörper (4) eine derart über seine Fläche variierende Dicke (8) aufweist, dass in dessen Randbereichen (4.2) eine geringere Dicke als in dessen Mittelbereich (4.1) vorhanden ist.
Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem die Dicke (8) des Metallformkörpers (4) von seiner Mitte zu seinen Randbereichen (4.2) kontinuierlich abnimmt.
Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem die Dicke (8) des Metallformkörpers (4) von seiner Mitte zu seinen Randbereichen (4.2) gestuft abnimmt.
Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welchem zusätzlich zu oder anstelle der variierenden Dicke (8) des Metallformkörpers (4) die laterale Stromflusskomponente allenfalls unwesentlich beeinträchtigende Ausnehmungen in den Metallformkörpern vorgesehen sind.
Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei welchem das Mehrfache des Nennstromes des Leistungshalbleiters (1) im Bereich von 1.000 bis 1.500 A liegt.
Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei welchem die Trägerfolie nicht zu fügende Bereiche der Oberfläche des Leistungshalbleiters (1) haftend bedeckt.
Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei welchem außer dem oberseitigen Metallformkörper (4) ein weiterer Metallformkörper an der Unterseite (9) des Leistungshalbleiters (1) vorgesehen und mittels einer weiteren durch Sintern, insbesondere Silber-Sintern, erzeugten Verbindungsschicht mit dem Leistungshalbleiter (1) verbunden ist.
Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei welchem eine der Anzahl der mit den Potentialen versehenen oberseitigen Potentialflächen entsprechende Anzahl von Metallformkörpern (4) auf der Oberseite (2) des Leistungshalbleiters (1) vorgesehen ist.
Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei welchem der Metallformkörper (4) aus einem Material mit einem Schmelzpunkt von mindestens 300 K höher als dem von Aluminium, insbesondere einem Material aus der Gruppe Cu, Ag, Au, Mo, W oder deren Legierungen, besteht und die Verbindungsschicht einen vergleichbar hohen Schmelzpunkt aufweist und insbesondere aus einem Material aus der Gruppe Ag, Cu, Au besteht.
Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 16, bei welchem die Sicherung extern angeordnet ist.