DE102015106151B4

DE102015106151B4 - Leiterplatte mit eingebettetem Leistungshalbleiterchip

Info

Publication number: DE102015106151B4
Application number: DE102015106151.1A
Authority: DE
Inventors: Martin Gruber; Angela Kessler; Thorsten Scharf
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-04-22
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2019-07-11
Anticipated expiration: 2035-04-23
Also published as: DE102015106151A1; US20160316567A1; US10062671B2

Abstract

Halbleitermodul, aufweisend:eine Leiterplatte;einen Leistungshalbleiterchip, der in der Leiterplatte eingebettet ist, wobei der Leistungshalbleiterchip eine erste Lastelektrode aufweist;ein Leistungsanschlussstück des Halbleitermoduls, wobei das Leistungsanschlussstück mit der ersten Lastelektrode elektrisch verbunden ist, und wobei der eingebettete Leistungshalbleiterchip seitlich innerhalb der Footprintregion des Leistungsanschlussstücks positioniert ist, wobei das Leistungsanschlussstück ein Gewindeelement und insbesondere ein Element ist, das ein Gewindeloch oder einen Gewindebolzen aufweist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft generell Halbleitermodule mit eingebetteten aktiven Bauelementen und insbesondere die Technik des Einbettens eines Leistungshalbleiterchips in eine Leiterplatte.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
PCB- (gedruckte Leiterplatte) -Hersteller streben ständig danach, die Leistung ihrer Produkte zu verbessern, während sie ihre Herstellungskosten reduzieren. Neueste Fortschritte in der PCB-Technologie verwenden Chip-Einbettungskonzepte für Leistungsbauelemente. Das Einbetten eines Leistungschips in eine PCB ist eine platzsparende Herangehensweise für ein fortgeschrittenes Leistungsbauelementdesign. Kostengünstige Bauelemente mit hoher thermischer Robustheit, verbessertem Wärmeabführvermögen und erhöhter Zuverlässigkeit und elektrischer Leistung sind wünschenswert.
US 2009 / 0 091 889 A1 beschreibt ein Leistungs-Elektronikmodul, das eine wärmeerzeugende Leistungselektronikvorrichtung enthält, die seitlich innerhalb einer Footprintregion eines Leistungsanschlusses positioniert ist.
US 8 319 334 B2 offenbart eine elektronische Vorrichtung, die in eine Leiterplatte eingebettet ist.
Merkmale der Erfindung sind in den unabhängigen Ansprüchen angegeben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die begleitenden Zeichnungen sind enthalten, um ein weiteres Verstehen von Ausführungsformen bereitzustellen. Sie sind in diese Beschreibung integriert und stellen einen Teil davon dar. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, Prinzipien von Ausführungsformen zu erklären. Andere Ausführungsformen und viele der beabsichtigten Vorteile von Ausführungsformen werden leichter verstanden, indem man sich auf die folgende ausführliche Beschreibung bezieht. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht zwangsläufig zueinander maßstäblich. Gleiche Bezugsnummern bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.

Die 1A und 1B veranschaulichen schematisch Schnittdarstellungen von beispielhaften Halbleitermodulen 100A bzw. 100B, die eine Leiterplatte, einen darin eingebetteten Leistungshalbleiterchips und ein Leistungsanschlussstück enthalten.
2 veranschaulicht schematisch eine Schnittdarstellung eines beispielhaften Halbleitermoduls 200, das eine Leiterplatte, einen darin eingebetteten Leistungshalbleiterchip und ein Leistungsanschlussstück aufweist.
3 veranschaulicht schematisch eine Schnittdarstellung eines beispielhaften Halbleitermoduls 300, das eine Leiterplatte, einen darin eingebetteten Leistungshalbleiterchip und ein Leistungsanschlussstück aufweist.
4 veranschaulicht schematisch eine Schnittdarstellung eines beispielhaften Halbleitermoduls 400, das eine Leiterplatte, einen darin eingebetteten Leistungshalbleiterchip und ein Leistungsanschlussstück aufweist.
5 veranschaulicht schematisch eine Schnittdarstellung eines beispielhaften Halbleitermoduls 500, das eine Leiterplatte, einen darin eingebetteten Leistungshalbleiterchip und ein darin eingebettetes elektronisches Bauelement und ein Leistungsanschlussstück aufweist.
6 veranschaulicht schematisch eine Schnittdarstellung eines beispielhaften Halbleitermoduls 600, das eine Leiterplatte, zwei darin eingebettete Leistungshalbleiterchips und ein darin eingebettetes elektronisches Bauelement und ein Leistungsanschlussstück aufweist.
7 veranschaulicht schematisch eine Schnittdarstellung eines beispielhaften Halbleitermoduls 700, das eine Leiterplatte, zwei darin eingebettete Leistungshalbleiterchips und ein Leistungsanschlussstück aufweist.
Die 8A und 8B veranschaulichen schematisch eine perspektivische Draufsicht bzw. eine Unteransicht eines beispielhaften Halbleitermoduls 800, das beispielsweise zwei eingebettete Leistungshalbleiterchips aufweist, von denen sich jeder unter einem Leistungsanschlussstück befindet.
9 veranschaulicht schematisch eine perspektivische Draufsicht eines beispielhaften Halbleitermoduls 900, wie z.B. eine B6 Vollbrücke.
10 veranschaulicht ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung eines Halbleitermoduls, das einen in einer Leiterplatte eingebetteten Leistungshalbleiterchip aufweist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird Bezug auf die begleitenden Zeichnungen genommen, die einen Teil davon bilden und in denen mittels Veranschaulichung spezielle Ausführungsformen gezeigt werden, mit denen die Erfindung praktiziert werden kann. In dieser Hinsicht wird die Richtungsterminologie wie „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“ „obere“, „untere“ usw. unter Bezugnahme auf die Ausrichtung der beschriebenen Figuren verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl von unterschiedlichen Ausrichtungen positioniert sein können, wird die Richtungsterminologie zum Zwecke der Veranschaulichung verwendet und ist nicht einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt werden können und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb in keiner Weise einschränkend zu sehen, und der Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
Es sei klargestellt, dass die Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern es nicht ausdrücklich anders angegeben ist.
Weiter sollen die in dieser Beschreibung verwendeten Begriffe „gebondet“, „befestigt“, „verbunden“, „gekoppelt“ und/oder „elektrisch verbunden/elektrisch gekoppelt“ nicht bedeuten, dass die Elemente oder Schichten direkt miteinander in Kontakt sein müssen. Es können entsprechend zwischengeschaltete Elemente oder Schichten zwischen den „gebondeten“, „befestigten“, „verbundenen“, „gekoppelten“ und/oder „elektrisch verbundenen/elektrisch gekoppelten“ Elementen vorgesehen sein. Jedoch können gemäß der Offenbarung die vorgenannten Begriffe optional auch die spezifische Bedeutung aufweisen, dass die Elemente oder Schichten direkt miteinander in Kontakt sind, d.h., dass keine zwischengeschalteten Elemente oder Schichten zwischen den „gebondeten“, „befestigten“, „verbundenen“, „gekoppelten“ und/oder „elektrisch verbundenen/elektrisch gekoppelten“ Elementen entsprechend vorgesehen sind.
Weiter können die Worte „über“ oder „oberhalb“, die in Bezug auf ein Teil, Element oder eine Materialschicht verwendet werden, das bzw. die über oder „oberhalb“ einer Fläche gebildet oder lokalisiert sind, hierin bedeuten, dass sich das Teil, Element oder die Materialschicht „direkt auf“, wie z.B. in direktem Kontakt mit, der implizierten Fläche (z.B. angeordnet, gebildet, abgelagert, usw.) befindet. Die Worte „über“ oder „oberhalb“, die in Bezug auf ein Teil, Element oder eine Materialschicht verwendet werden, das bzw. die über oder „oberhalb“ einer Fläche gebildet oder lokalisiert sind, können hierin bedeuten, dass sich das Teil, Element oder die Materialschicht indirekt auf, der implizierten Fläche mit einem oder mehreren zusätzlichen Teilen, Elementen oder Schichten, die zwischen der implizierten Fläche und dem Teil, Element oder der Materialschicht angeordnet sind, befindet. Das Gleiche gilt analog für die Begriffe „unter“, „unterhalb“, „darunter“ usw.
Die hier beschriebenen Halbleitermodule enthalten einen oder mehrere Leistungshalbleiterchips, die in einer Leiterplatte eingebettet sind. Dieser bzw. diese Leistungshalbleiterchips können von unterschiedlicher Art sein und durch unterschiedliche Technologien hergestellt sein. Sie schließen (monolithische) integrierte Leistungsschaltkreise ein und können weiter beispielsweise integrierte Logikschaltungen, integrierte Analogschaltungen, integrierte Mischsignalschaltungen oder Speicherschaltungen aufweisen.
Der bzw. die Leistungshalbleiterchips, auf die hierin verwiesen wird, können aus spezifischem Halbleitermaterial wie z.B. Si, SiC, SiGe, GaAs, GaN, AlGaN, InGaAs, InAlAs usw. hergestellt sein und können des Weiteren anorganische und/oder organische Materialien enthalten, die keine Halbleiter sind.
Der bzw. die Leistungshalbleiterchips, auf die hierin verwiesen wird, können beispielsweise Leistungsschalter, Leistungstransistoren, Leistungsdioden usw. sein. Sie können zusätzlich Steuerschaltungen, Mikroprozessoren und/oder Speicherschaltungen aufweisen.
Der bzw. die Leistungshalbleiterchips, auf die hierin verwiesen wird, können beispielsweise als Leistungs-MISFETs (Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekt-Transistoren), Leistungs-MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistoren), IG-BTs (Bipolartransistoren mit isolierter Steuerelektrode), JFETs (Sperrschicht-Feldeffekttransistoren), HEMTs (Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit), Leistungs-Bipolartransistoren oder Leistungsdioden wie z.B. eine PIN-Diode oder eine Schottky-Diode konfiguriert sein.
Der bzw. die Leistungshalbleiterchips, auf die hierin verwiesen wird, können beispielsweise eine vertikale Struktur aufweisen, das heißt, dass der bzw. die Halbleiterchips auf solche Art und Weise hergestellt sein können, dass elektrische Ströme in einer senkrechten Richtung zu den Hauptflächen des bzw. der Halbleiterchips fließen können. Ein Leistungshalbleiterchip mit einer vertikalen Struktur weist Elektroden auf seinen zwei Hauptflächen auf, das heißt auf seinen oberen und unteren Seitenflächen.
Der bzw. die Leistungshalbleiterchips, auf die hierin verwiesen wird, können eine horizontale Struktur aufweisen. Ein Leistungshalbleiterchip mit einer horizontalen Struktur weist häufig nur auf einer seiner zwei Hauptflächen Chipelektroden auf, wie z.B. auf seiner aktiven Fläche. Die entgegengesetzte Hauptfläche kann üblicherweise die Befestigungsfläche des Leistungshalbleiterchips sein.
Die hier beschriebenen Halbleitermodule können weiter ein oder mehrere zusätzliche elektronische Bauelemente aufweisen. Das bzw. die elektronischen Bauelemente können beispielsweise auch in der Leiterplatte eingebettet sein und/oder ein oder mehrere elektronische Bauelemente können beispielsweise auf einer oder beiden Flächen der Leiterplatte befestigt sein. Das bzw. die elektronischen Bauelemente können als passive oder aktive Bauelemente konzipiert sein. Ein passives Bauelement kann beispielsweise ein Widerstand, ein Kondensator, ein Induktor, ein Taktgeber und/oder ein integriertes passives Bauelement (PID) sein. Ein aktives Bauelement kann beispielsweise ein Logikhalbleiterchip, ein Speicherhalbleiterchip, ein Treiberhalbleiterchip, um einen oder mehrere von den Leistungshalbleiterchips anzusteuern, ein Pegelumsetzer und ein Mikrocontrollerchip sein.
Die hier beschriebenen Halbleitermodule enthalten eine Leiterplatte oder eine gedruckte Leiterplatte (PCB). Die Leiterplatte bettet den mindestens einen Leistungshalbleiterchip ein. Die Leiterplatte kann eine oder mehrere elektrisch leitende Schichten und eine oder mehrere Isolierschichten (oder dielektrische Schichten), die zwischen den elektrisch leitenden Schichten angeordnet sind, aufweisen. Die Isolierschichten können beispielsweise ein geeignetes Thermoplast- oder Duroplastmaterial aufweisen oder daraus hergestellt sein. Beispielsweise können die Isolierschichten Epoxidharz, Polyethylen, Aramidfasern oder Kohlefasern aufweisen oder daraus hergestellt sein und können Verstärkungsmittel wie Fasermatten, wie z.B. Glas- oder Kohlefasern aufweisen. Die Isolierschichten können ein Prepreg (kurz für vorimprägnierte Fasern), das beispielsweise aus einer Kombination von einer Fasermatte, beispielsweise Glas- oder Kohlefasern und einem Harz, beispielsweise einem Duroplast- oder Thermoplastmaterial hergestellt ist, aufweisen oder daraus hergestellt sein. Prepregmaterialien sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden üblicherweise verwendet, um PCBs herzustellen. Die Leiterplatte kann eine steife, eine flexible oder eine steife-flexible PCB sein.
Mehrere unterschiedliche Arten von Halbleitermodulen können gemäß der Offenbarung hierin vorgesehen sein. Beispielsweise kann ein Halbleitermodul, wie es hier offenbart wird, optional zwei oder mehr Leistungshalbleiterchips, wie z.B. MISFETs, MOSFETs oder HEMTs eingebettet in der Leiterplatte und beispielsweise eine integrierte Logikschaltung als das (optionale) in der Leiterplatte eingebettete elektronische Bauelement aufweisen. Zum Beispiel kann ein hier offenbartes Halbleitermodul eine Halbbrückenschaltung aufweisen, die einen High-Side-Transistor, einen Low-Side-Transistor und optional einen Logikchip aufweist, der beispielsweise als ein Transistor-Gatetreiber dient. Weiter kann das hier offenbarte Halbleitermodul eine Vollbrücke wie z.B. eine B6 Schaltung aufweisen, die beispielsweise 6 Leistungstransistoren und (optional) einen Logikchip aufweist, der beispielsweise als ein Leistungstransistor-Gatetreiber dient.
Die Halbleitermodule und, insbesondere Halbbrücken- oder Vollbrückenschaltungen können wie hier offenbart beispielsweise in einer elektronischen Schaltung implementiert sein, die eine Stromversorgung, einen Spannungswandler, einen Gleichrichter, eine PFC- (Leistungsfaktorkorrektur) -Schaltung usw. bildet. Beispielsweise kann ein Spannungswandler für das Umwandeln von Gleich- oder Wechselspannungen in Gleichspannungen, sogenannte DC-DC-Wandler und AC-DC-Wandler, entsprechend konfiguriert sein. DC-DC-Wandler können verwendet werden, um eine von einer Batterie oder einer aufladbaren Batterie bereitgestellte Eingangsgleichspannung in einen auf die Anforderungen von nachgeschalteten elektronischen Schaltungen abgeglichene Ausgangsgleichspannung umzuwandeln. Ein hier beschriebener DC-DC-Wandler kann z.B. ein Buck-Wandler oder ein Abwärtswandler sein. AC-DC-Wandler können verwendet werden, um eine Eingangswechselspannung, die beispielsweise durch ein Hochspannungs-Wechselstromnetz bereitgestellt wird, in eine auf die Anforderungen von nachgeschalteten elektronischen Schaltungen abgeglichene Ausgangsgleichspannung umzuwandeln.
Unter Bezugnahme auf 1A weist ein Halbleitermodul 100A eine Leiterplatte 10 auf, die einen Leistungshalbleiterchip 20 einbettet. Einbetten kann vollständiges Einhüllen bedeuten, d.h., der Leistungshalbleiterchip 20 kann vollständig in den Aufbau der Leiterplatte 10 integriert sein, ohne dass irgendeine Fläche des Leistungshalbleiterchips 20 freiliegend verbleibt.
Das Halbleitermodul 100A weist weiter ein Leistungsanschlussstück 30 auf, das über dem Leistungshalbleiterchip 20 positioniert ist, wobei der Leistungshalbleiterchip 20 sich seitlich innerhalb einer Footprintregion 31 des Leistungsanschlussstücks 30 befindet. Mit anderen Worten ist das Leistungsanschlussstück 30 direkt über dem Leistungshalbleiterchip 20 angeordnet, sodass die Kontur des Anschlussstücks 30 in einer vertikalen Projektion die Kontur des Leistungshalbleiterchips 20 umgibt. Somit ist der Leistungshalbleiterchip 20 vollständig durch das Leistungsanschlussstück 30 abgedeckt. Auf diese Weise wird die Wärme, die im Leistungshalbleiterchip 20 erzeugt wird, effektiv zum Leistungsanschlussstück 30 geleitet und vom Halbleitermodul 100A entfernt, da die Wärmeabführungswege kurz sind.
Der Leistungshalbleiterchip 20 kann auf einer ersten leitenden Schicht 11 der Leiterplatte 10 befestigt sein. Die erste leitende Schicht 11 kann aus jedem Metall oder jeder Metalllegierung, wie z.B. Kupfer oder eine Kupferlegierung, hergestellt sein. Die erste leitende Schicht 11 kann eine Dicke T1 im Bereich von beispielsweise ca. 10 µm bis 400 µm aufweisen. Insbesondere kann die Dicke T1 der ersten leitenden Schicht 11 gleich oder größer als oder kleiner als 20 µm, 40 µm, 60 µm, 80 µm, 100 µm, 150 µm, 200 µm, 250 µm, 300 µm, 350 µm, 400 µm, 450 µm und 500 µm sein.
Die erste leitende Schicht 11 kann als ein Chipträger dienen. D.h., der Leistungshalbleiterchip 20 kann an der ersten leitenden Schicht 11 befestigt oder gebondet sein. Weiter kann beispielsweise eine erste Lastelektrode 21 des Leistungshalbleiterchips 20 elektrisch und mechanisch mit der ersten leitenden Schicht 11 der Leiterplatte 10 durch eine Verbundlage (nicht dargestellt) verbunden sein. Die Verbundlage (Bondschicht) kann z.B. Lot, ein Weichlot, Hartlot, Diffusionslot, eine elektrisch leitende Paste, eine Nano-Paste, ein Sintermetallmaterial oder einen elektrisch leitenden Kleber aufweisen oder daraus bestehen.
Wenn die Verbundlage (nicht dargestellt) beispielsweise aus einem Lötmittel wie z.B. AuSn, AgSn, CuSn, AgIn, Auln, CuIn, AuSi, Sn oder Au oder einer elektrisch leitenden Paste besteht, die metallische Partikel enthält, welche in einem Polymermaterial verteilt sind (sogenannte Nano-Paste), kann die Verbundlage durch Wärmeanwendung erzeugt werden, um das Bondmaterial wieder zum Fließen zu bringen, zu sintern oder auszuhärten.
Das Leistungsanschlussstück 30 ist mit der ersten Lastelektrode 21 des Leistungshalbleiterchips 20 elektrisch verbunden. Das Leistungsanschlussstück 30 ist als ein externer Anschluss des Halbleitermoduls 100A konfiguriert. Das Leistungsanschlussstück 30 kann ermöglichen, hohe Ströme zu leiten, die von externen Anwendungen zum oder vom Halbleitermodul 100A verwendet werden. Zu diesem Zweck kann das Leistungsanschlussstück 30 konzipiert sein, einen Anschlussabschnitt oder ein Anschlusselement 32 aufzuweisen, das über eine erste (obere) Fläche 10a von der Leiterplatte 10 vorsteht. Das Anschlusselement 32 des Anschlussstücks 30 kann Eingreifmittel aufweisen, sodass es an externen Leistungsschaltungen angebaut oder angebracht werden kann. Die Eingreifmittel können beispielsweise, als ein Loch 33 und insbesondere ein Gewindeloch oder als Klemmmittel (nicht dargestellt), ein Gewindebolzen (siehe 8A) usw. konzipiert sein. Wenn beispielsweise ein Gewindebolzen verwendet wird, kann der Gewindebolzen integral mit dem Anschlusselement 32 sein oder er kann fest in das Loch 33 eingesetzt oder eingeschraubt sein und kann ein Gewinde bereitstellen, um das Halbleitermodul 100A mit einem anderen Gewindeloch (nicht dargestellt) oder einer externe Anwendung zu verschrauben.
Das Leistungsanschlussstück 30 oder insbesondere das Anschlusselement 32 davon kann eine Höhe H1 gemessen von der ersten (oberen) Fläche 10a von der Leiterplatte 10 zu einer Oberseite 32a des Anschlusselements 32 des Leistungsanschlussstücks 30 aufweisen, die gleich oder größer als 5 mm, 8 mm, 10 mm, 12 mm, 14 mm, 16 mm, 18 mm oder 20 mm ist.
Das Leistungsanschlussstück 30 oder insbesondere das Anschlusselement 32 davon kann eine minimale Querabmessung D1 aufweisen. Die minimale Querabmessung D1 kann beispielsweise gleich oder größer als 4 mm, 6 mm, 8 mm oder 10 mm sein. Die (minimale) Querabmessung D1 sollte gleich oder größer als die entsprechende (maximale) Querabmessung des Leistungshalbleiterchips 20 sein. Dies stellt sicher, dass das Leistungsanschlussstück 30 oder insbesondere das Anschlusselement 32 davon den gesamten Leistungshalbleiterchip 20 vollständig abdecken kann.
Wenn beispielsweise der Leistungshalbleiterchip 20 ein Leistungshalbleiterchip mit 2 × 2 mm oder z.B. 3 × 3 mm ist, kann das Anschlusselement 32 Querabmessungen D1 von 5 × 5 mm oder 6 x 6 mm usw. aufweisen. Auf diese Weise wird Wärme, die im Leistungshalbleiterchip 20 abgegeben wird, effektiv zum Anschlusselement 32 des Leistungsanschlussstücks 30 übertragen und durch dieses entfernt, da das Anschlusselement 32 den Leistungshalbleiterchip 20 vollständig abdeckt.
Wenn das Anschlusselement 32 als ein Gewindeelement konfiguriert ist, das ein Gewindeloch oder einen Gewindebolzen aufweist, kann es ein metrisches Gewinde wie z.B. M6, M8 oder M10 aufweisen. Das Leistungsanschlussstück 30 kann beispielsweise ein Metall wie z.B. Kupfer, eine Kupferlegierung, zinkbeschichtetes Kupfer oder eine zinkbeschichtete Kupferlegierung, Aluminium, Stahl, Messing oder verchromtes Messing aufweisen oder daraus bestehen. Weiter kann das Leistungsanschlussstück 30 oder insbesondere das Anschlusselement 32 davon eine topologisch strukturierte oder gefurchte Oberfläche aufweisen, um die Größe der Oberfläche, die die Wärmeabfuhr durch Wärmestrahlung und/oder Konvektion bewirkt, zu vergrößern. Auf diese Weise dient der thermische Anschluss 30 nicht nur als ein hoch effizienter Wärmeleiter, sondern zusätzlich als ein Kühlkörper oder Kühlelement.
Unbeschadet der Allgemeingültigkeit kann der Leistungshalbleiterchip 20 beispielsweise als ein Leistungstransistor, wie z.B. ein Leistungs-MOSFET, IGBT, JFET oder Bipolartransistor oder eine Leistungsdiode konfiguriert sein. Im Fall von einem Leistungs-MOSFET oder einem JFET kann die erste Lastelektrode 21 z.B. eine Drain-Elektrode sein, eine zweite Lastelektrode (nicht dargestellt in 1A) kann eine Source-Elektrode sein und eine dritte Elektrode (nicht dargestellt in 1A) kann eine Gate-Elektrode sein. Im Fall von einem IGBT kann die erste Lastelektrode 21 eine Kollektorelektrode sein, eine zweite Lastelektrode (nicht dargestellt in 1A) kann eine Emitterelektrode sein und eine dritte Elektrode (nicht dargestellt in 1) kann eine Gate-Elektrode sein. Im Fall von einem Bipolartransistor kann die erste Lastelektrode 21 eine Kollektorelektrode sein, eine zweite Lastelektrode (nicht dargestellt in 1A) kann eine Emitterelektrode sein und eine dritte Elektrode (nicht dargestellt in 1A) kann eine Basiselektrode sein. Im Fall von einer Leistungsdiode sind die erste und zweite Lastelektrode entsprechend Anode und Kathode und es gibt keine dritte Elektrode. Während des Betriebs können Spannungen, die höher sind als 5, 50, 100, 500 oder 1000 V, zwischen den ersten und zweiten Lastelektroden angelegt werden. Eine auf die dritte Elektrode (nicht dargestellt) angewandte Schaltfrequenz kann im Bereich von 1 kHz bis 100 MHz liegen, sie kann aber auch außerhalb von diesem Bereich liegen.
Das Leistungsanschlussstück 30 ist starr an der Leiterplatte 10 befestigt. Beispielsweise kann die erste elektrisch leitende Schicht 11 der Leiterplatte 10 Löcher 12 aufweisen, von denen jedes konfiguriert ist, einen Einpresspin 34 (Einpressstift) des Leistungsanschlussstücks 30 aufzunehmen. Insbesondere kann eine Stirnseite 35 des Leistungsanschlussstücks 30 mit einer Anordnung von eingepressten Pins 34 ausgestattet sein, die von der Stirnseite 35 in einer senkrechten Richtung zur Stirnseite 35 (und auch senkrecht zur ersten (oberen) Fläche 10a oder der Leiterplatte 10, an die die Stirnseite 35 angrenzen kann) vorstehen, und kann konfiguriert sein, kraftschlüssige Verbindungen mit einer entsprechenden Anordnung von Löchern 12 in der ersten elektrisch leitenden Schicht 10 herzustellen. Die Einpresspins 34 können durch die Leiterplatte 10 hindurchgehen und über eine zweite (untere) Fläche 10b der Leiterplatte 10 vorstehen.
Eine Einpressverbindung zwischen dem Leistungsanschlussstück 30 und der ersten elektrisch leitenden Schicht 11 der Leiterplatte 10 stellt eine hohe mechanische Stabilität und hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit bereit. D.h., die elektrische Stromstärke und Wärme werden effektiv vom Leistungshalbleiterchip 20 über die erste elektrisch leitende Schicht 11 auf das Leistungsanschlussstück 30 übertragen. Da das Leistungsanschlussstück 30 direkt oberhalb des Leistungshalbleiterchips 20 positioniert ist, sind die Wärmeabführungswege durch die erste elektrisch leitende Schicht 11 außerdem kurz. Weiter kann die Wärmeabfuhr vom Leistungshalbleiterchip 20 durch direkte Wärmeübertragung vom Leistungshalbleiterchip 20 über die Schnittstelle zwischen der ersten (oberen) Fläche 10a von der Leiterplatte 10 und der Stirnfläche 35 des Leistungsanschlussstücks 30 zum Leistungsanschlussstück 30 unterstützt werden. Daher ist der Leistungshalbleiterchip 20, der in der Leiterplatte 10 eingebettet ist, schlussendlich effektiv mit dem Leistungsanschlussstück 30 im Sinne von Kühlen und Stromversorgung gekoppelt.
Wie beispielhaft in 1A veranschaulicht können einige der Einpresspins 34 nicht zwangsläufig innerhalb eines Einpresslochs 12 der ersten leitenden Schicht 11 befestigt sein. Beispielsweise können Durchgangslocheinfügeverbindungen, bei denen ein Pin 34 in ein Durchgangsloch der Leiterplatte 10 eingefügt wird, auch möglich sein. Bei einigen Beispielen können nur Durchgangslocheinfügeverbindungen zur Befestigung des Leistungsanschlussstücks 30 an der Leiterplatte 10 verwendet sein. Bei anderen Beispielen werden Einpresspins 34 verwendet und in einem entsprechenden Einpressloch 12 der ersten leitenden Schicht 11 verankert. Weiter kann es möglich sein, gemischte Verbindungen zu verwenden (z.B. Einpressverbindungen und Durchgangslocheinfügeverbindungen), um das Leistungsanschlussstück 30 an der Leiterplatte 10 zu befestigen.
Weiter ist zu beachten, dass der Leistungshalbleiterchip 20 auf einer anderen leitenden Schicht (nicht dargestellt) der Leiterplatte 10 befestigt sein kann als der ersten leitenden Schicht 11, an der das Leistungsanschlussstück 30 befestigt ist. In diesem Fall kann die erste Lastelektrode 21 des Leistungshalbleiterchips 20 elektrisch und mechanisch mit der anderen leitenden Schicht (nicht dargestellt) der Leiterplatte 10 verbunden sein, um die elektrische Verbindung mit geringem Widerstand und die thermische Verbindung zwischen dem Leistungshalbleiterchip 20 und dem Leistungsanschlussstück 30 sicherzustellen.
1B veranschaulicht ein beispielhaftes Halbleitermodul 100B. Das Halbleitermodul 100B kann ähnlich dem Halbleitermodul 100A oder damit identisch sein außer, dass das Loch 33 des Anschlusselements ein Sackloch oder Sackbohrung ist anstatt eines Durchgangslochs. Daher kann die (untere) Stirnfläche 35 des Anschlusselements 32 beispielsweise eine kontinuierliche Fläche sein, die beispielsweise den Bereich der ersten (oberen) Fläche 10a von der Leiterplatte 10, die sich unter dem Anschlusselement 32 befindet, vollständig abdeckt und/oder daran angrenzt. Auf diese Weise wird die Wärmeabfuhr vom Halbleiterchip 20 durch die zusätzliche Wärmeabfuhr von der Oberseite des Halbleiterchips 20 über die erste (obere) Fläche 10a von der Leiterplatte 10 in das Bulk-Anschlusselement 32 vergrößert.
2 veranschaulicht ein beispielhaftes Halbleitermodul 200. Das Halbleitermodul 200 kann dem Halbleitermodul 100A oder dem Halbleitermodul 100B ähnlich sein oder es kann damit identisch sein außer, dass das Leistungsanschlussstück 30 mit Vorsprüngen 44 anstatt der Einpresspins 34, die in 1 gezeigt sind, ausgestattet ist. Insbesondere kann die Stirnfläche 35 des Leistungsanschlussstücks 30 diese Vorsprünge 44 aufweisen. Die Vorsprünge 44 können verlötet oder auf andere Weise an der ersten elektrisch leitenden Schicht 11 befestigt sein. Die Technik des Verlötens (oder Sinterns usw.) der Vorsprünge 44 mit der ersten leitenden Schicht 11 stellt ebenfalls mechanisch stabile und elektrisch und thermisch hochleitfähige Verbindungen zwischen der ersten leitenden Schicht 11 der Leiterplatte 10 und dem Leistungsanschlussstück 30 bereit. Wie gezeigt in 2 können die Vorsprünge 44 z.B. nicht durch die Leiterplatte 10 hindurchgehen. Im Hinblick auf alle anderen Merkmale, die in Verbindung mit den 1A oder 1B beschrieben wurden, wird auf die vorstehende Beschreibung verwiesen, um eine Wiederholung zu vermeiden.
3 veranschaulicht ein beispielhaftes Halbleitermodul 300. Merkmale des Halbleitermoduls 300 können mit vorstehend beschrieben entsprechenden Merkmalen der Halbleitermodule 100A, 100B, 200 identisch sein oder diesen ähnlich sein und umgekehrt und es wird auf die Beschreibung verwiesen, um eine Wiederholung zu vermeiden. Weiter verwendet das Halbleitermodul 300 eine mehrschichtige Leiterplatte 10. In der mehrschichtigen Leiterplatte 10 ist mindestens eine zweite elektrisch leitende Schicht 15 bereitgestellt. Die zweite elektrisch leitende Schicht 15 kann über der ersten elektrisch leitenden Schicht 11 angeordnet sein, wie z.B. zwischen der ersten elektrisch leitenden Schicht 11 und dem darauf befestigten Leistungshalbleiterchip 20 und der ersten (oberen) Fläche 10a der Leiterplatte 10.
Die zweite elektrisch leitende Schicht 15 kann eine Dicke T2 aufweisen, die gleich oder kleiner als T1 sein kann. Da die zweite elektrisch leitende Schicht 15 keine wesentliche Wärmeabfuhr vom Leistungshalbleiterchip 20 bereitstellen mag und nicht mechanisch mit dem Leistungsanschlussstück 30 verbunden sein kann, muss die Wärmeabfuhrfähigkeit der zweiten elektrisch leitenden Schicht 15 nicht so hoch sein wie die Wärmeabfuhrfähigkeit der ersten leitenden Schicht 11. Beispielsweise kann die zweite elektrisch leitende Schicht 15 der Leiterplatte 10 eine Dicke T2 gleich oder größer als oder kleiner als 10 µm, 20 µm, 40 µm, 60 µm, 80 µm, 100 µm, 120 µm, 140 µm, 160 µm, 180 µm oder 200 µm aufweisen.
Die zweite elektrisch leitende Schicht 15 kann strukturiert sein. Die zweite elektrisch leitende Schicht 15 kann beispielsweise als eine elektrische Umverdrahtungsschicht dienen, die konfiguriert ist, I/O-Signale, Stromversorgung, Gatetreibersignale usw. innerhalb der Leiterplatte 10 zu routen.
Beispielsweise kann wie in 3 veranschaulicht die zweite elektrisch leitende Schicht 15 strukturiert sein, um eine erste Leiterbahn 15a bereitzustellen, die durch Vias 16 mit einer Steuerelektrode 23, wie z.B. einer Gate-Elektrode des Leistungshalbleiterchips 20 verbunden ist. Als ein Beispiel ist die erste Leiterbahn 15a der zweiten elektrisch leitenden Schicht 15 mit einem externen Anschluss 40 des Halbleitermoduls 300 verbunden. Der externe Anschluss 40 kann in diesem Beispiel ein Steueranschluss sein, um beispielsweise ein externes Steuersignal an die Steuerelektrode 23 des Leistungshalbleiterchips 20 bereitzustellen.
Weiter kann das Halbleitermodul 300 mit einem oder mehreren elektronischen Bauelementen ausgestattet sein, wie weiter unter ausführlicher beschrieben wird. Das Bezugszeichen 40 kann auch als auf eine solche elektronische Komponente verweisend interpretiert werden, die im Beispiel von 3 auf der ersten (oberen) Fläche 10a von der Leiterplatte 10 befestigt sein kann. Das elektronische Bauelement kann auch auf der zweiten (unteren) Fläche 10b von der Leiterplatte 10 befestigt sein oder kann innerhalb der Leiterplatte 10 eingebettet sein (siehe beispielsweise die 5 und 6).
Weiter kann beispielsweise die zweite elektrisch leitende Schicht 15 eine zweite Leiterbahn 15b aufweisen, die konfiguriert ist, mit einer Lastelektrode 22, wie z.B. der Source-Elektrode des Leistungshalbleiterchips 20 elektrisch verbunden zu sein. Wiederum kann die Verbindung zwischen der Lastelektrode 22 und der zweiten Leiterbahn 15b der zweiten elektrisch leitenden Schicht 15 durch eine Anzahl von Vias 16, die das isolierende (dielektrische) Material durchdringen, bereitgestellt sein, das zwischen dem Leistungshalbleiterchip 20 (oder der ersten elektrisch leitenden Schicht 11) und der zweiten elektrisch leitenden Schicht 15 bereitgestellt ist.
4 veranschaulicht ein beispielhaftes Halbleitermodul 400. Merkmale des Halbleitermoduls 400 können mit entsprechenden Merkmalen der vorstehend beschriebenen Halbleitermodule 100A, 100B, 200, 300 identisch sein oder diesen ähnlich sein und umgekehrt, und es wird auf die vorliegende Beschreibung verwiesen, um eine Wiederholung zu vermeiden. Im Unterschied zu den Halbleitermodulen 100A, 100B, 200, 300 ist der Leistungshalbleiterchip 20 auf der ersten leitenden Schicht 11 in einer Flip-Chip-Ausrichtung befestigt.
Bei diesem Beispiel, aber auch in den anderen hier offenbarten Beispielen, kann die erste elektrisch leitende Schicht 11 strukturiert sein. Beispielsweise kann ein erster Teil 11a der ersten elektrisch leitenden Schicht 11 mit einer Lastelektrode 22, wie z.B. der Source-Elektrode des Leistungshalbleiterchips 20, elektrisch verbunden sein, und ein zweiter Teil 11b der ersten elektrisch leitenden Schicht 11 kann mit einer Steuerelektrode 23, wie z.B. einer Gate-Elektrode des Leistungshalbleiterchips 20, verbunden sein. Der erste Abschnitt 11a und der zweite Abschnitt 11b der ersten elektrisch leitenden Schicht 11 können inselartig, d.h., elektrisch getrennt oder voneinander isoliert sein. Auf diese Weise kann die erste elektrisch leitende Schicht 11 nicht nur verwendet werden, um als ein Chipträger und/oder Wärmeabfuhrmittel und/oder Befestigungsplattform für das Leistungsanschlussstück 30 zu dienen, sondern außerdem als ein Mehrfachstrom- oder Mehrfachsignal-(z.B. Laststrom und/oder Steuersignal) -Leiter zum Routen von Lastströmen und/oder Steuersignalen über die Leiterplatte 10.
Im Halbleitermodul 400 kann ähnlich dem Halbleitermodul 300 eine zweite elektrisch leitende Schicht 15 (nicht dargestellt) bereitgestellt und konfiguriert sein, um beispielsweise mit einer anderen Lastelektrode (nicht dargestellt) des Leistungshalbleiterchips 20 verbunden zu werden. Beispielsweise kann der Leistungshalbleiterchip 20 eine Lastelektrode 21, wie z.B. die Drain-Elektrode, die sich auf dessen oberer Hauptfläche befindet, aufweisen, und die zweite elektrisch leitende Schicht 15 (nicht dargestellt) kann konfiguriert sein, durch Vias 16 mit dieser Lastelektrode 21 zu verbinden.
5 veranschaulicht ein beispielhaftes Halbleitermodul 500. Das Halbleitermodul 500 ist den Halbleitermodulen 100A, 100B, 200 bis 400 ähnlich und Merkmale, die in Verbindung mit den Halbleitermodulen 100A, 100B, 200 bis 400 beschrieben sind, können im Halbleitermodul 500 implementiert sein und umgekehrt.
Das Halbleitermodul 500 weist ein zusätzliches elektronisches Bauelement 50 auf, das in der Leiterplatte 10 eingebettet oder eingeschlossen ist. Beispielsweise kann die elektronische Komponente 50 auf einem dritten Abschnitt 11c von der ersten leitenden Schicht 11 befestigt sein. Jedoch ist es auch möglich, dass das elektronische Bauelement 50 auf einer anderen leitenden Schicht der Leiterplatte 10 befestigt oder in der Leiterplatte 10 ohne jede Unterstützung oder Träger eingebettet ist. Wie zuvor angegeben kann es auch auf einer von der ersten (oberen) Fläche 10a und/oder der zweiten (unteren) Fläche 10b von der Leiterplatte 10 befestigt sein.
Das elektronische Bauelement 50 kann mit einer Steuerelektrode 23 des Leistungshalbleiterchips 20 elektrisch verbunden sein. Beispielsweise kann der elektrische Anschluss zwischen einer I/O-Elektrode des elektronischen Bauelements 50 und der Steuerelektrode 23 des Leistungshalbleiterchips 20 durch die zweite elektrisch leitende Schicht 15 oder insbesondere durch eine Leiterbahn 15a davon bereitgestellt sein. Eine andere Möglichkeit, wie sie bereits in Verbindung mit 4 erklärt wurde, ist, die erste elektrisch leitende Schicht 11 oder einen strukturierten Abschnitt 11b davon zu verwenden, um die Steuerelektrode 23 des Halbleiterchips 20 mit dem elektronischen Bauelement 50 zu verbinden.
Das elektronische Bauelement 50 kann ein passives oder aktives Nichtleistungsbauelement sein. Es kann beispielsweise ein Widerstand, ein Kondensator, ein Induktor, ein Taktgeber, ein integriertes passives Bauelement (IPD), ein Logikhalbleiterchip, ein Speicherhalbleiterchip, ein Treiberhalbleiterchip, ein Mikrocontrollerchip usw. sein.
6 veranschaulicht ein Halbleitermodul 600, das mehrere Leistungsanschlussstücke 30 aufweist und beispielsweise ein elektronisches Bauelement 50, wie es vorstehend in Verbindung mit 5 beschrieben wurde. Jedes der mehreren Leistungsanschlussstücke 30 kann an der Leiterplatte 10 in einer Position befestigt sein, sodass ein eingebetteter Leistungshalbleiterchip 20 innerhalb einer Footprintregion 31 (Grundfläche) von jedem der mehreren Leistungsanschlussstücke 30 positioniert ist. Daher wird jeder Leistungshalbleiterchip 20 individuell mit einer fest gekoppelten Wärmeabfuhr- und Laststromversorgungskapazität versehen, die durch das entsprechende Leistungsanschlussstück 30 bereitgestellt wird.
In 6 ist als ein Beispiel eine Leiterbahn (oder ein Abschnitt) 15b der zweiten elektrisch leitenden Schicht 15 mit dem rechten Leistungsanschlussstück 30 verbunden. Das rechte Leistungsanschlussstück 30 in diesem Beispiel kann ein Laststromanschluss sein, um beispielsweise den Source-Strom für den rechten Leistungshalbleiterchip 20 bereitzustellen. Es ist zu beachten, dass im Beispiel von 6 das rechte Leistungsanschlussstück 30 an der zweiten elektrisch leitenden Schicht 15 anstatt an der ersten elektrisch leitenden Schicht 11 befestigt sein kann. Alle Anschlusstechniken, die vorstehend in Bezug auf die Verbindung zwischen der ersten elektrisch leitenden Schicht 11 und dem Leistungsanschlussstück 30 beschrieben wurden, einschließlich Einpressen und Verlöten, können verwendet werden.
Der linke Leistungshalbleiterchip 20 kann sich beispielsweise in einer Flip-Chip-Ausrichtung auf der ersten elektrisch leitenden Schicht 11 befinden und ein externer Anschluss 70 des Halbleitermoduls 600 kann über eine Leiterbahn (oder Abschnitt) 15c von der zweiten elektrisch leitenden Schicht 15 mit einer Lastelektrode 21, wie z.B. einer Drain-Elektrode, des Leistungshalbleiterchips der linken Seite 20, verbunden sein. Hier kann beispielsweise das linke Leistungsanschlussstück 30 an der ersten elektrisch leitenden Schicht 11, wie zuvor beschrieben, befestigt sein.
Es ist zu beachten, dass eine hohe Variabilität der Chipanordnung und der Innenverdrahtung der Leiterplatte 10 möglich ist. Die Leistungshalbleiterchips 20 können jeweils in Face-Up- oder Flip-Chip-Ausrichtung befestigt sein, oder mindestens ein Halbleiterchip 20 in Flip-Chip-Ausrichtung und mindestens ein Halbleiterchip 20 in Face-Up-Ausrichtung. Weiter können die Leistungsanschlussstücke 30 jeweils auf der ersten elektrisch leitenden Schicht 11 oder auf der zweiten elektrisch leitenden Schicht 15 oder mindestens ein Anschlussstück 30 auf der ersten elektrisch leitenden Schicht 11 und mindestens ein Anschlussstück 30 auf der zweiten elektrisch leitenden Schicht 15 befestigt sein. Weiter können die Anschlussstücke 30 jeweils als Drain-Anschlussstücke oder Source-Anschlussstücke dienen oder können mindestens als ein Drain-Anschlussstück und mindestens ein Source-Anschlussstück dienen. Des Weiteren wird in vielen praktischen Beispielen die Leiterplatte 10 beispielsweise 3 oder 4 oder gar mehr elektrisch leitende Schichten aufweisen, um eine komplexere Innenverdrahtung und Funktionalität zu ermöglichen.
7 ist eine beispielhafte Veranschaulichung eines weiteren Halbleitermoduls 700. Das Halbleitermodul 700 ist dem Halbleitermodul 600 ähnlich, außer dass beide Leistungshalbleiterchips 20 in einer Face-Up-Ausrichtung auf der ersten elektrisch leitenden Schicht 11 befestigt sind. Die erste leitende Schicht 11 kann in einen ersten Abschnitt 11, der als ein Träger für den linken Leistungshalbleiterchip 20 verwendet wird, und einen zweiten Abschnitt 11', der als ein Träger für den rechten Halbleiterchip 20 verwendet wird, getrennt sein. Wie zuvor beschrieben, kann eine strukturierte zweite elektrisch leitende Schicht 15 optional zum Signalrouting und/oder zur Laststromleitung bereitgestellt sein. Beispielsweise kann die Source-Elektrode des linken Leistungshalbleiterchips 20 mit der Drain-Elektrode des rechten Leistungshalbleiterchips 20 durch Verbundzwischenschicht-Vias 16, welche die zweite Leiterbahn 15b von der zweiten elektrisch leitenden Schicht 15 mit dem zweiten Abschnitt 11' der ersten leitenden Schicht 11 verbindet, verbunden sein.
Es ist zu beachten, dass in allen Halbleitermodulen 100A, 100B, 200 bis 700 zusätzliche externe Anschlüsse zum Verbinden der Halbleitermodule 100A, 100B, 200 bis 700 mit externen Anwendungen bereitgestellt sind. Diese zusätzlichen externen Anschlüsse (wie z.B. die Anschlüsse 40, 70) können jedes Design aufweisen, das auf dem Fachgebiet verwendet wird, wie z.B. Lötpads, Leitungen usw. Außer den beispielhaften externen Anschlüssen 40, 70 sind solche zusätzlichen externen Anschlüsse nicht in den Figuren gezeigt, könnten aber in jedem der Halbleitermodule 100A, 100B, 200 bis 700 bereitgestellt sein.
Die 8A und 8B veranschaulichen Drauf- bzw. Unteransichten von einem Halbleitermodul 800. Das Anschlusselement 32 des Leistungsanschlussstücks 30 kann beispielsweise eine polygonale, rechteckige, quadratische, gerundete oder kreisförmige Kontur aufweisen.
Im Halbleitermodul 800 sind wie in 8A gezeigt die Leistungsanschlussstücke 30 mit einem Gewindebolzen 38 ausgestattet. Der Gewindebolzen 38 kann ein integraler Bestandteil des Anschlusselements 32 sein. Insofern kann in diesem Beispiel und auch in anderen hier beschriebenen Beispielen (siehe beispielsweise 1B), die (untere) Stirnfläche 35 des Anschlusselements 32 beispielsweise eine kontinuierliche Fläche sein, die beispielsweise den Bereich der ersten (oberen) Fläche 10a von der Leiterplatte 10, die sich unter dem Anschlusselement 32 befindet, vollständig abdeckt und/oder daran angrenzt.
An der (unteren) zweiten Fläche 10b der Leiterplatte 10 können die Einpresspins 34 durch die Leiterplatte 10 hindurchgehen und von der zweiten Fläche 10b vorstehen. Wie ersichtlich in 8B können die Einpresspins 34 eine rahmenartige Form mit einem Innenbereich aufweisen, der frei von Einpresspins 34 ist (das gleiche kann für irgendeine Art von Pins oder Vorsprüngen 44 gelten). Der Leistungshalbleiterchip 20 (nicht sichtbar in 8B) kann innerhalb dieses Innenbereichs positioniert sein und kann daher seitlich von der rahmenartige Anordnung von Einpresspins 34 (oder Vorsprünge 44) umgegeben sein. Auf diese Weise ist die elektrische und thermische Verbindung zum Leistungshalbleiterchip 20 über die erste leitende Schicht 11 und die Einpresspins 34 (oder Vorsprünge 44) sehr nahe am Leistungshalbleiterchip 20 und kann das gesamte Randgebiet des Leistungshalbleiterchips 20 nutzen. Daher sind, zusammen mit dem Ort für das Leistungsanschlussstück 30 direkt oberhalb des Leistungshalbleiterchips 20, optimale Bedingungen für die Wärme- und Stromübertragung geschaffen.
9 erläutert ein Halbleitermodul 900, das mit mehreren Leistungshalbleiterchips 20 und Leistungsanschlussstücken 30 ausgestattet ist. Das Halbleitermodul 900 ist beispielsweise, eine B6-Brücke, die auch als 3-Phasen-Brückengleichrichter bezeichnet wird. Ein B6 Brückengleichrichter wird auf dem Fachgebiet auch als ein Vollbrückengleichrichter bezeichnet. Der B6 Brückengleichrichter aufweist sechs Leistungstransistoren oder Gleichrichterdioden. Einer dieser 6 Leistungshalbleiterchips 20 ist in der halbtransparenten Veranschaulichung von 9 sichtbar.
Ähnlich den Halbleitermodulen 100A, 100B, 200 bis 800 sind die Leistungsanschlussstücke 30 in einer vertikalen Projektion direkt oberhalb der Leistungshalbleiterchips 20 positioniert und an der Leiterplatte 10 durch mindestens eine der vorstehend genannten Techniken, wie z.B. Einpressverbindungen, Durchgangslocheinfügungsverbindungen oder Löt-/Sinterverbindungen, befestigt.
Wie aus 9 ersichtlich macht der hier beschriebene Ansatz „Anschlussleistungsanschluss über aktivem Leistungsbauteil“ optimalen Gebrauch von der verfügbaren Fläche der Leiterplatte 10. Dieser Ansatz erhöht in starkem Maße die Kühlung von Leistungshalbleitermodulen über die elektrischen Anschlüsse und kann daher die Notwendigkeit reduzieren, andere Kühleinrichtungen wie z.B. Kühlkörper oder dergleichen hinzuzufügen. Weiter kann die Dichte der Leistungshalbleiterchips 20 und elektrischen Komponenten 30, die in der Leiterplatte 10 integriert sind, erhöht werden. Dies bietet die Möglichkeit, die Größe der Halbleitermodule 100A, 100B, 200 bis 900 zu reduzieren und/oder deren Funktionalität zu erhöhen. In vielen Fällen kann die Größe des Halbleitermoduls 100A, 100B, 200 bis 900 bis hinunter zur Mindestgröße, die durch die Querabmessung D1 der externen Anschlüsse (d.h., der Leistungsanschlussstücke 30) diktiert wird, verringert werden. Bei einem Multileistungshalbleiterchipmodul, wie es beispielsweise in 9 veranschaulicht ist, können die mehreren Leistungsanschlussstücke 30 als ein „Wärmeverteiler“ („Wärmespreizer“) agieren, die die Kühlleistung multiplizieren und die Kühlung über den gesamten Bereich des Halbleitermoduls 100A, 100B, 200 bis 900 verteilen kann.
Es ist zu beachten, dass die zweite (untere) Fläche 10b der Leiterplatte 10 unverbaut verbleiben kann und noch für weitere Kühleinrichtungen, wie z.B. die Anwendung von einem oder mehreren Kühlkörpern (nicht dargestellt) oder anderen Kühlwerkzeugen, verfügbar bleiben kann. In diesem Fall kann die Kühlung, die durch die Leistungsanschlussstücke 30 bewirkt wird, als eine zusätzliche Kühlung agieren, um die Kühlung, die durch die Kühlkörper, die an der zweiten (unteren) Fläche 10b der Leiterplatte 10 befestigt sind, bewirkt wird, zu erhöhen.
10 veranschaulicht ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung eines Halbleitermoduls, das einen in einer Leiterplatte 10 eingebetteten Leistungshalbleiterchip 20 aufweist.
Bei S1 wird ein Leistungshalbleiterchip in eine Leiterplatte eingebettet, wobei der Leistungshalbleiterchip eine erste Lastelektrode aufweist, die mit einer ersten elektrisch leitenden Schicht der Leiterplatte verbindet.
Das Einbetten des Leistungshalbleiterchips 20 in den Aufbau der Leiterplatte 10 kann durch jede Technologie für eingebettete Bauelemente erfolgen, die verfügbar ist. Beispielsweise kann die Leiterplatte 10 als eine PCB mittels jeglicher bekannter Techniken hergestellt werden, die beispielsweise Panelisierung, Kupferstrukturierung (z.B. Lichtdruck, Fräsen, chemisches Ätzen), Laminieren, Bohren, Plattieren und Beschichten, Lötstopplackauftragen usw. aufweisen. Bei diesem PCB-Herstellungsverfahren kann der Leistungshalbleiterchip 20 auf der (z.B. zuvor strukturierten) leitenden Schicht 11 angeordnet und dann durch nachfolgende Laminierungsschritte in die PCB 10 integriert werden. Es ist zu beachten, dass die leitende Schicht 11, auf der der Leistungshalbleiterchip 20 befestigt ist, auch als Leadframe bezeichnet werden kann, wenn sie ein vorgefertigtes getrenntes Teil ist, das (auch) während der Herstellung in die PCB eingefügt wird.
Bei S2 kann ein Leistungsanschlussstück 30 des Halbleitermoduls über der Leiterplatte 10 angeordnet werden, wobei das Leistungsanschlussstück 30 derart positioniert wird, dass es den Leistungshalbleiterchip überlagert.
Bei S3 wird das Leistungsanschlussstück 30 an der Leiterplatte 10 befestigt, wodurch das Leistungsanschlussstück 30 mit der ersten elektrisch leitenden Schicht 11 elektrisch verbunden wird.
Das Befestigen bei S3 kann das Einfügen von Einpresspins einer Anordnung von Einpresspins des Leistungsanschlussstücks 30 in Löcher 12 der ersten elektrisch leitenden Schicht 11 aufweisen.
Das Befestigen bei S3 kann auch das Verlöten von Vorsprüngen 44 des Leistungsanschlussstücks 30 mit der ersten elektrisch leitenden Schicht 11 aufweisen.

Claims

Halbleitermodul, aufweisend: eine Leiterplatte; einen Leistungshalbleiterchip, der in der Leiterplatte eingebettet ist, wobei der Leistungshalbleiterchip eine erste Lastelektrode aufweist; ein Leistungsanschlussstück des Halbleitermoduls, wobei das Leistungsanschlussstück mit der ersten Lastelektrode elektrisch verbunden ist, und wobei der eingebettete Leistungshalbleiterchip seitlich innerhalb der Footprintregion des Leistungsanschlussstücks positioniert ist, wobei das Leistungsanschlussstück ein Gewindeelement und insbesondere ein Element ist, das ein Gewindeloch oder einen Gewindebolzen aufweist.
Halbleitermodul nach Anspruch 1, wobei die Leiterplatte eine erste elektrisch leitende Schicht aufweist, und wobei eine Stirnfläche des Leistungsanschlussstücks eine Anordnung von Einpresspins aufweist, die in Löcher der ersten elektrisch leitenden Schicht eingreifen.
Halbleitermodul nach Anspruch 2, wobei die Anordnung von Einpresspins von einer rahmenartigen Form ist, und wobei der Leistungshalbleiterchip seitlich von der rahmenartigen Anordnung von Einpresspins umgegeben ist.
Halbleitermodul nach Anspruch 1, wobei die Leiterplatte eine erste elektrisch leitende Schicht aufweist, und wobei eine Stirnfläche des Leistungsanschlussstücks mit der ersten elektrisch leitenden Schicht verlötete Vorsprünge aufweist.
Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Leistungshalbleiterchip auf der ersten elektrisch leitenden Schicht befestigt ist.
Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leistungshalbleiterchip ein vertikales Bauelement ist.
Halbleitermodul nach den Ansprüchen 1 bis 5, wobei der Leistungshalbleiterchip ein horizontales Bauelement ist.
Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterplatte eine zweite elektrisch leitende Schicht aufweist, und wobei die zweite elektrisch leitende Schicht sich zwischen dem Leistungshalbleiterchip und einer ersten Fläche der Leiterplatte erstreckt, die dem Leistungsanschlussstück gegenübersteht.
Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Höhe des Leistungsanschlussstücks, gemessen über einer ersten Fläche der Leiterplatte, die dem Leistungsanschlussstück gegenüberliegt, größer als 6 mm, 8 mm, 10 mm, 12 mm, 14 mm, 16 mm, 18 mm oder 20 mm ist.
Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine minimale Querabmessung der Footprintregion des Leistungsanschlussstücks gleich oder größer als 4 mm, 6 mm, 8 mm, 10 mm oder 12 mm ist.
Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend ein in der Leiterplatte eingebettetes elektronisches Bauelement, wobei das elektronische Bauelement mit einer zweiten Lastelektrode, einer Steuerelektrode oder einer anderen Elektrode des Leistungshalbleiterchips elektrisch verbunden ist.
Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend ein an einer Oberfläche der Leiterplatte befestigtes elektronisches Bauelement, wobei das elektronische Bauelement mit einer zweiten Lastelektrode, einer Steuerelektrode oder einer anderen Elektrode des Leistungshalbleiterchips elektrisch verbunden ist.
Halbleitermodul nach Anspruch 11 oder 12, wobei das elektronische Bauelement ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Widerstand, einem Kondensator, einem Induktor, einem Taktgeber, einem integrierten passiven Bauelement, einem Logikhalbleiterchip, einem Speicherhalbleiterchip, einem Treiberhalbleiterchip und einem Mikrocontrollerchip.
Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leistungsanschlussstück eine topologisch strukturierte oder gefurchte Oberfläche aufweist.
Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterplatte eine Mehrschicht-PCB ist.
Halbleitermodul, aufweisend: eine Leiterplatte, aufweisend eine erste elektrisch leitende Schicht und eine zweite elektrisch leitende Schicht; mehrere in der Leiterplatte eingebettete Leistungshalbleiterchips, wobei jeder Leistungshalbleiterchip eine erste Hauptfläche aufweist, die auf der ersten elektrisch leitenden Schicht befestigt ist oder auf der zweiten elektrisch leitenden Schicht befestigt ist; und mehrere Leistungsanschlussstücke des Halbleitermoduls, wobei jedes Leistungsanschlussstück mit der ersten elektrisch leitenden Schicht oder der zweiten elektrisch leitenden Schicht elektrisch verbunden ist, und wobei mindestens einer der mehreren eingebetteten Leistungshalbleiterchips seitlich innerhalb der Footprintregion von mindestens einem der mehreren Leistungsanschlussstücke positioniert ist.
Halbleitermodul nach Anspruch 16, wobei mindestens ein Leistungsanschlussstück der mehreren Leistungsanschlussstücke mit der ersten elektrisch leitenden Schicht elektrisch verbunden ist und mindestens ein weiteres Leistungsanschlussstück der mehreren Leistungsanschlussstücke mit der zweiten elektrisch leitenden Schicht elektrisch verbunden ist.
Halbleitermodul nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Halbleitermodul einen Spannungswandler und insbesondere einen DC-DC-Wandler oder einen AC-DC-Wandler, Halbbrückenschaltungen, Vollbrückenschaltungen, einen Leistungsgleichrichter, einen Leistungswechselrichter oder Leistungsfaktorkorrekturschaltungen aufweist.
Halbleitermodul, aufweisend: eine Leiterplatte; einen Leistungshalbleiterchip, der in der Leiterplatte eingebettet ist, wobei der Leistungshalbleiterchip eine erste Lastelektrode aufweist; ein Leistungsanschlussstück des Halbleitermoduls, wobei das Leistungsanschlussstück mit der ersten Lastelektrode elektrisch verbunden ist, und wobei der eingebettete Leistungshalbleiterchip seitlich innerhalb der Footprintregion des Leistungsanschlussstücks positioniert ist; und ein an einer Oberfläche der Leiterplatte befestigtes elektronisches Bauelement, wobei das elektronische Bauelement mit einer zweiten Lastelektrode, einer Steuerelektrode oder einer anderen Elektrode des Leistungshalbleiterchips elektrisch verbunden ist.
Halbleitermodul, aufweisend: eine Leiterplatte; einen Leistungshalbleiterchip, der in der Leiterplatte eingebettet ist, wobei der Leistungshalbleiterchip eine erste Lastelektrode aufweist; ein Leistungsanschlussstück des Halbleitermoduls, wobei das Leistungsanschlussstück mit der ersten Lastelektrode elektrisch verbunden ist und eine topologisch strukturierte oder gefurchte Oberfläche aufweist, und wobei der eingebettete Leistungshalbleiterchip seitlich innerhalb der Footprintregion des Leistungsanschlussstücks positioniert ist.
Halbleitermodul, aufweisend: eine Leiterplatte; einen Leistungshalbleiterchip, der in der Leiterplatte eingebettet ist, wobei der Leistungshalbleiterchip eine erste Lastelektrode aufweist; ein Leistungsanschlussstück des Halbleitermoduls, wobei das Leistungsanschlussstück mit der ersten Lastelektrode elektrisch verbunden ist und eine bodenseitige Stirnfläche aufweist, die an einer oberen Fläche der Leiterplatte anliegt, und wobei der eingebettete Leistungshalbleiterchip seitlich innerhalb der Footprintregion des Leistungsanschlussstücks positioniert ist.