DE102016204150A1 - Method, semiconductor module, power converter and vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft zwei Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls (1). Weiterhin betrifft die Erfindung zwei derartige Halbleitermodule (1), insbesondere für einen Stromrichter (8) eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs (9). Ferner betrifft die Erfindung einen Stromrichter (8), insbesondere für einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs (9), aufweisend zumindest ein derartiges Halbleitermodul (1). Schließlich betrifft die Erfindung ein Fahrzeug (9), insbesondere Hybrid- oder Elektrofahrzeug, aufweisend einen Antriebsstrang umfassend einen derartigen Stromrichter (8). Um die Herstellung eines derartigen Halbleitermoduls (1) einfacher und kostengünstiger zu gestalten bzw. ein einfacher und kostengünstiger herstellbares Halbleitermodul (1) bereitzustellen bzw. einzusetzen, werden unter anderem folgende Verfahrensschritte vorgeschlagen: – Bereitstellen zumindest eines Halbleiterchips (2) aufweisend zumindest eine elektrische Halbleiterchip-Kontaktstelle (3), – Bereitstellen zumindest eines Leadframes (4) aufweisend zumindest eine elektrische Leadframe-Kontaktstelle (5), – Herstellen einer jeweiligen Kontaktverbindung (6) als Bond-Verbindung mittels Bonden, wobei die jeweilige Kontaktverbindung (6) eine der elektrischen Halbleiterchip-Kontaktstellen (3) mit einer der elektrischen Leadframe-Kontaktstellen (5) elektrisch verbindet. Weiterhin werden unter anderem ein entsprechendes Halbleitermodul (1), ein entsprechender Stromrichter (8) sowie ein entsprechendes Fahrzeug (9) vorgeschlagen.The invention relates to two methods for producing a semiconductor module (1). Furthermore, the invention relates to two such semiconductor modules (1), in particular for a power converter (8) of a drive train of a vehicle (9). Furthermore, the invention relates to a power converter (8), in particular for a drive train of a vehicle (9), comprising at least one such semiconductor module (1). Finally, the invention relates to a vehicle (9), in particular hybrid or electric vehicle, comprising a drive train comprising such a power converter (8). In order to make the production of such a semiconductor module (1) simpler and more cost-effective or to provide or use a semiconductor module (1) that can be produced in a simple manner, the following method steps are proposed, among others: Provision of at least one semiconductor chip (2) comprising at least one electrical semiconductor chip - Providing at least one leadframe (4) having at least one electrical leadframe contact point (5), - Producing a respective contact connection (6) as a bond connection by means of bonding, wherein the respective contact connection (6) one of the electrical Semiconductor chip contact points (3) electrically connected to one of the electrical leadframe contact points (5). Furthermore, among other things, a corresponding semiconductor module (1), a corresponding power converter (8) and a corresponding vehicle (9) are proposed.
Description
Die Erfindung betrifft zwei Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls. Weiterhin betrifft die Erfindung zwei derartige Halbleitermodule, insbesondere für einen Stromrichter eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs. The invention relates to two methods for producing a semiconductor module. Furthermore, the invention relates to two such semiconductor modules, in particular for a power converter of a drive train of a vehicle.
Ferner betrifft die Erfindung einen Stromrichter, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs, aufweisend zumindest ein derartiges Halbleitermodul. Schließlich betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere Hybrid- oder Elektrofahrzeug, aufweisend einen Antriebsstrang umfassend einen derartigen Stromrichter. Furthermore, the invention relates to a power converter, in particular for a drive train of a vehicle, comprising at least one such semiconductor module. Finally, the invention relates to a vehicle, in particular hybrid or electric vehicle, comprising a drive train comprising such a power converter.
Halbleitermodule kommen in einer Vielzahl von Anwendungen, so auch bei Sanftstartern oder bei Stromrichtern, insbesondere innerhalb eines Antriebsstranges eines Hybrid- oder Elektroautos, zum Einsatz. Semiconductor modules are used in a variety of applications, including soft-starters or converters, especially within a drive train of a hybrid or electric car, used.
Die in Halbleitermodulen bzw. Leistungsmodulen verbauten Halbleiterchips müssen sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite kontaktiert werden. Diese Verbindungsstellen sind hohen Temperaturen bzw. Temperaturhüben ausgesetzt und begrenzen daher die Lebensdauer des Moduls. Für die chipunterseitige Verbindung werden Löt- oder Sinterverfahren verwendet. Halbleitermodule weisen üblicherweise auch ein Substrat auf, dessen elektrische Kontaktierung ebenfalls eine Herausforderung darstellt. The semiconductor chips installed in semiconductor modules or power modules must be contacted both on the top side and on the bottom side. These joints are exposed to high temperatures or temperature strokes and therefore limit the life of the module. For the chip-underside connection, soldering or sintering methods are used. Semiconductor modules usually also have a substrate whose electrical contacting is also a challenge.
Für die chipoberseitige Verbindungsstelle sind bisher Lösungen mit Drahtbonds bekannt. Diese Bonddrähte bestehen unter anderem aus reinem oder dotiertem Aluminium. Andere Lösungen sehen vor, Metallbügel, metallisierte Folien oder Leadframes auf die Chips zu löten oder zu sintern. Eine weitere Lösungsmöglichkeit stellt SiPLIT dar, eine planare Verbindungstechnik der Siemens AG. For the chip topside connection so far solutions are known with wire bonds. These bonding wires consist among other things of pure or doped aluminum. Other solutions include brazing or sintering metal straps, metallized foils or leadframes onto the chips. Another solution is SiPLIT, a planar connection technology from Siemens AG.
Aus
Aus der
Aus der
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, die Herstellung eines ggf. robusteren Halbleitermoduls einfacher und kostengünstiger zu gestalten. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es ein einfacher und kostengünstiger herstellbares und robusteres Halbleitermodul bereitzustellen bzw. einzusetzen. An object of the invention is to make the production of a possibly more robust semiconductor module easier and less expensive. A further object of the invention is to provide or use a simple and more cost-effective producible and more robust semiconductor module.
Eine Lösung der Aufgaben ergibt sich bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die folgenden Verfahrensschritte:
- – Bereitstellen zumindest eines Halbleiterchips aufweisend zumindest eine elektrische Halbleiterchip-Kontaktstelle,
- – Bereitstellen zumindest eines Leadframes aufweisend zumindest eine elektrische Leadframe-Kontaktstelle,
- – Herstellen einer jeweiligen Kontaktverbindung als Bond-Verbindung mittels Bonden,
- Providing at least one semiconductor chip having at least one electrical semiconductor chip contact point,
- Providing at least one leadframe having at least one electrical leadframe contact point,
- Producing a respective contact connection as a bonding connection by means of bonding,
Eine alternative Lösung der Aufgaben ergibt sich bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die folgenden Verfahrensschritte:
- – Bereitstellen zumindest eines Substrates aufweisend zumindest eine elektrische Substrat-Kontaktstelle,
- – Bereitstellen zumindest eines Leadframes aufweisend zumindest eine elektrische Leadframe-Kontaktstelle,
- – Herstellen einer jeweiligen Kontaktverbindung als Bond-Verbindung mittels Bonden,
- Providing at least one substrate having at least one electrical substrate contact point,
- Providing at least one leadframe having at least one electrical leadframe contact point,
- Producing a respective contact connection as a bonding connection by means of bonding,
Weiterhin ergibt sich eine Lösung der Aufgaben bei einem Halbleitermodul der eingangs genannten Art dadurch, dass das Halbleitermodul aufweist:
- – zumindest einen Halbleiterchip aufweisend zumindest eine elektrische Halbleiterchip-Kontaktstelle,
- – zumindest einen Leadframe aufweisend zumindest eine elektrische Leadframe-Kontaktstelle,
- – eine jeweilige Kontaktverbindung, welche eine der elektrischen Halbleiterchip-Kontaktstellen mit einer der elektrischen Leadframe-Kontaktstellen elektrisch verbindet,
- At least one semiconductor chip having at least one electrical semiconductor chip contact point,
- At least one leadframe having at least one electrical leadframe contact point,
- A respective contact connection which electrically connects one of the electrical semiconductor chip contact points to one of the electrical leadframe contact points,
Eine alternative Lösung der Aufgaben ergibt sich bei einem Halbleitermodul der eingangs genannten Art dadurch, dass das Halbleitermodul aufweist:
- – zumindest ein Substrat aufweisend zumindest eine elektrische Substrat-Kontaktstelle,
- – zumindest einen Leadframe aufweisend zumindest eine elektrische Leadframe-Kontaktstelle,
- – eine jeweilige Kontaktverbindung, welche eine der elektrischen Substrat-Kontaktstellen mit einer der elektrischen Leadframe-Kontaktstellen elektrisch verbindet,
- At least one substrate having at least one electrical substrate contact point,
- At least one leadframe having at least one electrical leadframe contact point,
- A respective contact connection electrically connecting one of the electrical substrate pads to one of the leadframe electrical contact pads,
Ferner ergibt sich eine Lösung der Aufgaben bei einem Stromrichter der eingangs genannten Art dadurch, dass der Stromrichter zumindest ein derartiges Halbleitermodul aufweist. Furthermore, a solution of the tasks in a power converter of the type mentioned results in that the power converter has at least one such semiconductor module.
Schließlich ergibt sich eine Lösung der Aufgaben bei einem Fahrzeug der eingangs genannten Art dadurch, dass das Fahrzeug einen Antriebsstrang, umfassend zumindest einen derartigen Stromrichter, aufweist. Finally, a solution to the problems in a vehicle of the type mentioned results in that the vehicle has a drive train comprising at least one such converter.
Bei einem der vorgeschlagenen Verfahren werden zunächst zumindest ein Halbleiterchip und zumindest ein Leadframe bereitgestellt. Dabei wird unter einem Halbleiterchip insbesondere ein Stück eines Halbleiter-Wafers, also ein Halbleiterplättchen mit ggf. darauf aufgebrachtem integriertem Schaltkreis, verstanden. Im Englischen ist für einen Halbleiterchip die Bezeichnung „die“ gebräuchlich. Der jeweilige Halbleiterchip weist zumindest eine elektrische Halbleiterchip-Kontaktstelle auf, wobei die Anzahl der Halbleiterchip-Kontaktstellen auch größer bzw. wesentlich größer sein kann. So kann die genannte Anzahl durchaus auch im Bereich von einigen zehn oder mehr Halbleiterchip-Kontaktstellen liegen. In one of the proposed methods, at least one semiconductor chip and at least one leadframe are initially provided. In this case, a semiconductor chip is understood in particular to be a piece of a semiconductor wafer, that is to say a semiconductor chip with an integrated circuit possibly applied thereto. In English, the term "the" is common for a semiconductor chip. The respective semiconductor chip has at least one electrical semiconductor chip contact point, wherein the number of semiconductor chip contact points can also be greater or substantially greater. Thus, the stated number may well be in the range of a few tens or more semiconductor chip contact points.
Bei dem alternativen, vorgeschlagenen Verfahren wird anstelle des zumindest einen Halbleiterchips zumindest ein Substrat aufweisend zumindest eine elektrische Substrat-Kontaktstelle bereitgestellt, wobei die Anzahl der Substrat-Kontaktstellen auch größer bzw. wesentlich größer kann, so dass auch einige zehn oder mehr Substrat-Kontaktstellen denkbar sind. Unter einem Substrat wird dabei insbesondere eine keramische Trägerstruktur verstanden, auf die elektrische Leiterbahnen und ggf. ein Halbleiterchip aufgebracht sind bzw. werden. Solche Trägerstrukturen können beispielsweise ein DCB-Substrat (direct bonded copper) oder ein IMS (insulated metal substrate) sein. In the alternative, proposed method, at least one substrate having at least one electrical substrate contact point is provided instead of the at least one semiconductor chip, wherein the number of substrate contact points can also be larger or substantially larger, so that also some tens or more substrate contact points are conceivable are. In this case, a substrate is understood in particular to be a ceramic carrier structure to which electrical conductor tracks and, if appropriate, a semiconductor chip are / are applied. Such support structures may be, for example, a DCB substrate (direct bonded copper) or an IMS (insulated metal substrate).
Bei einem Leadframe handelt es sich um einen „Anschlussrahmen“, also einen vorzugsweise metallischen Leitungsträger, insbesondere in Form eines Rahmens. Der jeweilige Leadframe weist zumindest eine elektrische Leadframe-Kontaktstelle auf, wobei die Anzahl der Leadframe-Kontaktstellen auch größer bzw. wesentlich größer sein kann, so dass auch einige zehn oder mehr Leadframe-Kontaktstellen denkbar sind. Insbesondere weist ein Leadframe zwei oder mehr, voneinander getrennte elektrische Leiterbahnen auf. A leadframe is a "lead frame", that is to say a preferably metallic lead support, in particular in the form of a frame. The respective leadframe has at least one electrical leadframe contact point, wherein the number of leadframe contact points can also be greater or substantially greater, so that a few tens or more leadframe contact points are also conceivable. In particular, a leadframe has two or more mutually separate electrical conductor tracks.
Gemäß dem einen vorgeschlagenen Verfahren ist vorgesehen, dass die jeweilige Kontaktverbindung einer der elektrischen Halbleiterchip-Kontaktstellen mit einer der elektrischen Leadframe-Kontaktstellen als Bond-Verbindung mittels Bonden hergestellt wird und so eine elektrische Verbindung erreicht wird. Entsprechend weist das vorgeschlagene Halbleitermodul eine jeweilige Kontaktverbindung auf, welche als Bond-Verbindung ausgestaltet ist. Beim Bonden handelt es sich um eine Technik zur elektrischen Kontaktierung von Mikroanschlüssen von Halbleiterchips. Das Bonden bietet einige Vorteile, wie zum Beispiel, dass keine Wärme zur Herstellung des Kontakts zugeführt werden muss. According to one proposed method, it is provided that the respective contact connection of one of the electrical semiconductor chip contact points with one of the electrical leadframe contact points is produced as a bonding connection by means of bonding and thus an electrical connection is achieved. Accordingly, the proposed semiconductor module has a respective contact connection, which is designed as a bond connection. Bonding is a technique for the electrical contacting of micro-terminals of semiconductor chips. Bonding offers some advantages, such as not having to add heat to make the contact.
Sind für das Halbleitermodul je ein Halbleiterchip und je ein Leadframe vorgesehen, so entspricht die Anzahl der Leadframe-Kontaktstellen vorzugsweise der Anzahl der gebondeten Kontaktverbindungen. Für diesen Fall entspricht die genannte Anzahl weiterhin der Anzahl der Halbleiterchip-Kontaktstellen, wenn von ggf. vorhandenen, weiteren Anschlüssen des Halbleiterchips abgesehen wird, die nicht mit dem Leadframe gebondet verbunden werden. Sind zwei oder mehr Halbleiterchips bzw. Leadframes vorgesehen, verändert sich die Anzahl der Halbleiterchip-Kontaktstellen, Leadframe-Kontaktstellen bzw. Kontaktverbindungen entsprechend. Vorzugsweise ist dabei die Mehrheit, insbesondere alle, der jeweiligen Leadframe-Kontaktstellen bzw. der jeweiligen Halbleiterchip-Kontaktstellen mittels einer jeweiligen Bond-Verbindung mit einer jeweiligen Halbleiterchip-Kontaktstelle bzw. einer jeweiligen Leadframe-Kontaktstelle verbunden. If one semiconductor chip and one leadframe are each provided for the semiconductor module, the number of leadframe contact points preferably corresponds to the number of bonded contact connections. For this case, the said number continues to correspond to the number of semiconductor chip contact points, apart from possible further connections of the semiconductor chip that are not connected to the leadframe. If two or more semiconductor chips or leadframes are provided, the number of semiconductor chip contact points, leadframe contact points or contact connections changes accordingly. Preferably, the majority, in particular all, of the respective leadframe contact points or of the respective semiconductor chip contact points is connected by means of a respective bonding connection to a respective semiconductor chip contact point or a respective leadframe contact point.
Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es somit, die Kontaktierung von Halbleiterchips mithilfe von Leadframes zu vereinfachen, indem diese an den Halbleiterchip gebondet werden. Beispielsweise erlaubt das Bonden von Leadframes einen Prozess auf so genannte Grosskarte, also im Mehrfachnutzen, wodurch eine vergleichsweise niedrige Durchlaufzeit gegeben ist, so dass Kosten eingespart werden können. Die Verwendung von Leadframes stellt weiterhin eine planare Chipkontaktierung dar, wodurch die damit typischerweise verbundenen Vorteile ebenfalls gegeben sind, wie z. B. eine höheren Lebensdauer durch eine größere Robustheit des Halbleitermoduls oder ein geringerer Volumenbedarf. One idea of the present invention is therefore to simplify the contacting of semiconductor chips by means of leadframes by bonding them to the semiconductor chip. For example, the bonding of leadframes allows a process on a so-called "big map", ie in multiple use, whereby a comparatively low cycle time is given, so that costs can be saved. The use of leadframes further represents a planar chip contacting, whereby the typically associated advantages are also given, such as. B. a longer life by a greater robustness of the semiconductor module or a smaller volume requirement.
Gemäß dem anderen vorgeschlagenen Verfahren bzw. Halbleitermodul ist vorgesehen, dass die jeweilige Kontaktverbindung einer der elektrischen Substrat-Kontaktstellen mit einer der elektrischen Leadframe-Kontaktstellen als Bond-Verbindung mittels Bonden hergestellt wird bzw. ist und so eine elektrische Verbindung erreicht wird. Entsprechend weist das vorgeschlagene Halbleitermodul eine jeweilige Kontaktverbindung auf, welche als Bond-Verbindung ausgestaltet ist. Dabei gelten ganz analoge Überlegungen wie zum ersten, vorgeschlagenen Verfahren bzw. Halbleitermodul. According to the other proposed method or semiconductor module is provided that the respective contact connection of one of the electrical substrate contact points with one of the electrical leadframe contact points is produced as a bonding connection by means of bonding or is and so an electrical connection is achieved. Accordingly, the proposed semiconductor module has a respective contact connection, which is designed as a bond connection. Very analogous considerations apply here as for the first proposed method or semiconductor module.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die beiden zuvor erläuterten Verfahren bzw. Halbleitermodule kombiniert, wobei der jeweilige Leadframe zumindest zwei elektrische Leadframe-Kontaktstellen aufweist. In an advantageous embodiment of the invention, the two previously explained methods or semiconductor modules are combined, wherein the respective leadframe has at least two electrical leadframe contact points.
Diese Ausgestaltung des Verfahrens bzw. des Halbleitermoduls sieht somit zumindest eine erste elektrische Kontaktverbindung, welche eine jeweilige elektrische Halbleiterchip-Kontaktstelle mit einer jeweiligen elektrischen Leadframe-Kontaktstelle elektrisch verbindet, und zumindest eine zweite elektrische Kontaktverbindung vor, welche eine jeweilige elektrische Substrat-Kontaktstelle mit einer jeweiligen elektrischen Leadframe-Kontaktstellen elektrisch verbindet. This embodiment of the method or the semiconductor module thus provides at least a first electrical contact connection, which electrically connects a respective electrical semiconductor chip contact point with a respective electrical leadframe contact point, and at least one second electrical contact connection, which has a respective electrical substrate contact point with one electrically connects respective electrical leadframe contact points.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zur Herstellung der jeweiligen Kontaktverbindung Ultraschall-Bonden verwendet bzw. ist die jeweilige Kontaktverbindung als Ultraschall-Bond-Verbindung ausgestaltet. In a further advantageous embodiment of the invention, ultrasonic bonding is used to produce the respective contact connection or the respective contact connection is designed as an ultrasonic bonding connection.
Beim Ultraschall-Bonden werden die jeweiligen Leadframe-Kontaktstellen mit einem gewissen Druck auf die jeweilige, zu verbindende Halbleiterchip- bzw. Substrat-Kontaktstelle gepresst, wobei Ultraschallschwingungen aufgebracht werden. Die Ultraschallschwingungen führen zu Diffusionsvorgängen zwischen dem Material der Leadframe-Kontaktstelle und dem Material der Halbleiterchip- bzw. Substrat-Kontaktstelle, wodurch eine feste Verbindung bzw. Kaltverschweißung der beiden Kontaktstellen resultiert. In ultrasonic bonding, the respective leadframe contact points are pressed with a certain pressure onto the respective semiconductor chip or substrate contact point to be connected, ultrasonic vibrations being applied. The ultrasonic vibrations lead to diffusion processes between the material of the leadframe contact point and the material of the semiconductor chip or substrate contact point, resulting in a firm connection or cold welding of the two contact points.
Durch das Ultraschall-Bonden kann die jeweilige Kontaktverbindung bei besonders niedriger Temperatur hergestellt werden, wodurch der Prozess energiearm ausgestaltet ist und somit Kosten eingespart werden können. Insbesondere kann weiterhin eine Beschädigung des Halbleiterchips bzw. Substrats vermieden werden. By ultrasonic bonding, the respective contact connection can be made at a particularly low temperature, whereby the process is designed low energy and thus costs can be saved. In particular, further damage to the semiconductor chip or substrate can be avoided.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zur Herstellung der jeweiligen Kontaktverbindung zumindest eine Sonotrode verwendet. In a further advantageous embodiment of the invention, at least one sonotrode is used to produce the respective contact connection.
Mittels der jeweiligen Sonotrode können hochfrequente mechanische Schwingungen, insbesondere Ultraschall, auf die jeweilige Halbleiterchip- bzw. Substrat-Kontaktstelle und die jeweilige Leadframe-Kontaktstelle aufgebracht werden, um die jeweilige Bond-Verbindung herzustellen. Vorzugsweise wird die jeweilige Sonotrode im Zusammenhang mit dem oben erläuterten Ultraschall-Bonden eingesetzt. By means of the respective sonotrode, high-frequency mechanical oscillations, in particular ultrasound, can be applied to the respective semiconductor chip or substrate contact point and the respective leadframe contact point in order to produce the respective bond connection. Preferably, the respective sonotrode is used in conjunction with the above-described ultrasonic bonding.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden mehrere der Kontaktverbindungen simultan mittels einer jeweiligen Sonotrode hergestellt. In a further advantageous embodiment of the invention, a plurality of the contact connections are produced simultaneously by means of a respective sonotrode.
Wie oben erläutert, können für das vorgeschlagene Halbleitermodul zumindest zwei, aber auch mehr bzw. wesentlich mehr als zwei Leadframe-Kontaktstellen und somit Bond-Verbindungen vorgesehen sein. Indem mehrere oder alle der vorgesehenen Bond-Verbindungen, also beispielsweise zumindest zwei, einige zehn oder mehr Bond-Verbindungen, simultan mittels Sonotrode hergestellt werden, wird ein Verbindungsprozess bereitgestellt, der die Durchlaufzeiten erheblich verkürzt und entsprechend Kosten einspart. As explained above, at least two, but also more or substantially more than two leadframe contact points and thus bond connections can be provided for the proposed semiconductor module. By several or all of the proposed bond connections, so for example, at least two, some ten or more bond connections are made simultaneously by sonotrode, a connection process is provided, which significantly reduces the lead times and saves costs accordingly.
Insbesondere können beispielsweise alle Bond-Verbindungen des jeweiligen Leadframes und/oder alle Bond-Verbindungen des jeweiligen Halbleiterchips oder Substrats, aber auch alle Bond-Verbindungen des Halbleitermoduls oder Substrats simultan hergestellt werden. Denkbar ist dabei pro hergestellter Bond-Verbindung eine jeweilige Sonotrode verwendet wird, wobei auch eine Sonotrode für zwei oder mehr der simultan hergestellten Bond-Verbindungen verwendet werden kann. In particular, for example, all bond connections of the respective leadframe and / or all bond connections of the respective semiconductor chip or substrate, but also all bond connections of the semiconductor module or substrate can be produced simultaneously. It is conceivable that a particular sonotrode is used per manufactured bond connection, wherein a sonotrode for two or more of the simultaneously produced bond compounds can be used.
Die simultane Herstellung zweier oder mehr Bond-Verbindungen bedeutet dabei, dass die zwei oder mehr Bond-Verbindungen zeitlich zumindest teilweise überlappend hergestellt werden. Somit werden unter der simultanen Herstellung der betrachteten, jeweiligen Bond-Verbindungen im Wesentlichen parallele Arbeitsschritte und nicht sequenzielle Arbeitsschritte verstanden. Vorzugsweise ist somit ein Prozess vorgesehen, an dessen Beginn die betrachteten Bond-Verbindungen noch nicht vorhanden sind, dann im Wesentlichen gleichzeitig die Bond-Verbindungen hergestellt werden und zum Abschluss des Prozesses die Herstellung aller betrachteter Bond-Verbindungen abgeschlossen ist. Insbesondere wird durch das vorgeschlagene Verfahren bzw. das vorgeschlagene Halbleitermodul somit eine Parallelisierung von Arbeitsschritten, nämlich der Kontaktierung der einzelnen Halbleiterchip- bzw. Substrat-Kontaktstellen, ermöglicht, wodurch Durchlaufzeiten reduziert und Kosten eingespart werden können. The simultaneous production of two or more bond connections means that the two or more bond connections are made at least partially overlapping in time. Thus, the simultaneous production of the considered, respective bond connections are understood to mean essentially parallel work steps and non-sequential work steps. Preferably, therefore, a process is provided at the beginning of the considered bond connections are not yet present, then substantially simultaneously the bond connections are made and the completion of the process, the production of all considered bond connections is completed. In particular, the proposed method or the proposed semiconductor module thus enables a parallelization of working steps, namely the contacting of the individual semiconductor chip or substrate contact points, whereby throughput times can be reduced and costs can be saved.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der jeweilige Leadframe als vorgefertigter Leadframe bereitgestellt. In a further advantageous embodiment of the invention, the respective leadframe is provided as a prefabricated leadframe.
Der jeweilige Leadframe wird vorzugsweise vorab mittels Stanzen hergestellt und somit stückweise für das vorgeschlagene Verfahren bereitgestellt. Insbesondere sind somit nicht Leadframes notwendig, die auf einer Rolle aufgewickelt sind, wobei die Rolle während des Herstellungsverfahrens des Halbleitermoduls abgewickelt wird, um die einzelnen Leadframes zu erhalten. The respective leadframe is preferably prepared in advance by means of stamping and thus provided piecewise for the proposed method. In particular, therefore, leadframes are not required, which are wound up on a roll, the roll being unwound during the production process of the semiconductor module in order to obtain the individual leadframes.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der jeweilige Halbleiterchip eine zumindest abschnittsweise flache Oberfläche auf, wobei die für die jeweilige Kontaktverbindung vorgesehene Halbleiterchip-Kontaktstelle an der Oberfläche des jeweiligen Halbleiterchips angeordnet ist. In a further advantageous embodiment of the invention, the respective semiconductor chip has an at least partially flat surface, wherein the semiconductor chip contact point provided for the respective contact connection is arranged on the surface of the respective semiconductor chip.
Bei der vorgeschlagenen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der jeweilige Halbleiterchip die für die Bond-Verbindung vorgesehenen Halbleiterchip-Kontaktstellen an einer zumindest abschnittsweise flachen Oberfläche aufweist. Insbesondere kann die genannte Oberfläche eine Chipoberseite sein. In the proposed embodiment, it is provided that the respective semiconductor chip has the semiconductor chip contact points provided for the bonding connection on an at least partially flat surface. In particular, said surface may be a chip top.
Insbesondere weist der jeweilige Halbleiterchip eine Chipunterseite und eine Chipoberseite auf, die sich im Wesentlichen gegenüber liegen. Dabei kann der Chip über seine Chipunterseite auf einer Leiterplatte angeordnet sein, wobei der Chip auf seiner Chipoberseite die erläuterten Halbleiterchip-Kontaktstellen aufweist. Als Leiterplatten können dabei beispielsweise PCB („printed circuit board“) oder DCB („direct bonded copper“) zum Einsatz kommen, auf welche der jeweilige Halbleiterchip gelötet, gesintert oder beispielsweise mittels Chipbonden gebondet werden kann. In particular, the respective semiconductor chip has a chip bottom side and a chip top side which lie substantially opposite one another. In this case, the chip can be arranged on its chip underside on a printed circuit board, wherein the chip has on its chip top side the explained semiconductor chip contact points. PCBs ("printed circuit board") or DCB ("direct-bonded copper") may be used as printed circuit boards, for example, onto which the particular semiconductor chip can be soldered, sintered or, for example, bonded by means of chip bonding.
Von besonderem Vorteil bei der vorliegenden Erfindung ist, dass die jeweiligen Bond-Verbindungen zumindest eines Leadframes mit zumindest einem Halbleiterchip nicht mit speziellen Anforderungen an die Oberfläche des jeweiligen Halbleiterchips einhergehen, wie sie bspw. beim Löten oder Sintern vorliegen würden. Im Gegensatz dazu bedingen das Löten oder das Sintern zur Verbindung eines Leadframes mit einem Halbleiterchip besondere Eigenschaften der Halbleiterchip-Oberfläche. Somit erlaubt die vorgeschlagene Erfindung, gewöhnliche Standard-Halbleiterchips für die Herstellung des vorgeschlagenen Halbleitermoduls zu verwenden, so dass also kein erhöhter Aufwand betrieben werden muss wie insbesondere beim Sintern oder Löten. Somit hebt die vorliegende Erfindung ein großes Potenzial für Kosteneinsparungen. It is of particular advantage in the present invention that the respective bond connections of at least one leadframe with at least one semiconductor chip are not accompanied by special requirements for the surface of the respective semiconductor chip, as would be present, for example, during soldering or sintering. In contrast, soldering or sintering for connecting a leadframe to a semiconductor chip requires special properties of the semiconductor chip surface. Thus, the proposed invention allows ordinary standard semiconductor chips used for the production of the proposed semiconductor module, so that therefore no increased effort must be operated as in particular during sintering or soldering. Thus, the present invention raises great potential for cost savings.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die jeweilige Halbleiterchip-Kontaktstelle dabei Aluminium, dotiertes Aluminium bzw. eine Aluminium-Legierung auf. In a further advantageous embodiment of the invention, the respective semiconductor chip pad has aluminum, doped aluminum or an aluminum alloy.
Da der jeweilige Halbleiterchip Aluminium, dotiertes Aluminium bzw. eine Aluminium-Legierung an seiner jeweiligen Halbleiterchip-Kontaktstelle aufweist, können insbesondere gewöhnliche Standard-Halbleiterchips für das vorgeschlagene Verfahren bzw. das vorgeschlagene Halbleitermodul verwendet werden. Wie oben erläutert, ergeben sich dadurch große Einsparpotenziale. Since the respective semiconductor chip comprises aluminum, doped aluminum or an aluminum alloy at its respective semiconductor chip pad, in particular ordinary standard semiconductor chips can be used for the proposed method or the proposed semiconductor module. As explained above, this results in great savings potential.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der jeweilige Halbleiterchip zumindest zwei elektrische Halbleiterchip-Kontaktstellen auf, wobei der jeweilige Leadframe zumindest zwei elektrische Leadframe-Kontaktstellen aufweist. In a further advantageous embodiment of the invention, the respective semiconductor chip has at least two electrical semiconductor chip contact points, wherein the respective leadframe has at least two electrical leadframe contact points.
Vorzugsweise sind die zumindest zwei elektrischen Halbleiterchip-Kontaktstellen an der oben erläuterten Oberfläche des jeweiligen Halbleiterchips angeordnet. Insbesondere werden die zumindest zwei elektrischen Halbleiterchip-Kontaktstellen mittels einer jeweiligen Kontaktverbindung den zumindest zwei elektrischen Leadframe-Kontaktstellen elektrisch verbunden, wie weiter oben schon erläutert. Preferably, the at least two electrical semiconductor chip contact points are arranged on the above-explained surface of the respective semiconductor chip. In particular, the at least two electrical semiconductor chip contact points are electrically connected to the at least two electrical leadframe contact points by means of a respective contact connection, as already explained above.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der jeweilige Leadframe eine Breite von einigen Zehntel Millimetern bis einigen Zentimetern auf. In a further advantageous embodiment of the invention, the respective leadframe has a width of a few tenths of a millimeter to a few centimeters.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren bzw. dem vorgeschlagenen Halbleitermodul kommen somit insbesondere Leadframes mit einer entsprechenden Breite zum Einsatz, wobei auch mehrere Leadframes pro Halbleiterchip eingesetzt werden können. Leadframes having a corresponding width are therefore used in particular in the proposed method or the proposed semiconductor module, and it is also possible to use a plurality of leadframes per semiconductor chip.
Insbesondere kann das vorgeschlagene Halbleitermodul in einem Leistungsmodul angeordnet werden, welches weiterhin eine Leiterplatte, beispielsweise in Form eines PCB oder DCB, aufweist. Wie oben erläutert, kann das jeweilige Halbleitermodul dabei mittels Löten, Sintern oder Bonden, beispielsweise Chipbonden, mit der Leiterplatte verbunden sein. In particular, the proposed semiconductor module can be arranged in a power module, which furthermore has a printed circuit board, for example in the form of a PCB or DCB. As explained above, the respective semiconductor module can be connected to the circuit board by means of soldering, sintering or bonding, for example chip bonding.
Vorzugsweise ist der Stromrichter für eine elektrische Leistung von zumindest 10 kW, vorzugsweise 40–100 kW, ausgelegt. Preferably, the power converter is designed for an electrical power of at least 10 kW, preferably 40-100 kW.
Das Fahrzeug ist vorteilhafterweise als Hybridauto oder Elektroauto ausgestaltet. The vehicle is advantageously designed as a hybrid car or electric car.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen: In the following the invention will be described and explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the figures. Show it:
Das Halbleitermodul
Das Halbleitermodul
Das Halbleitermodul
Das Halbleitermodul
Das Halbleitermodul
Das fünfte Ausführungsbeispiel ist dem vierten Ausführungsbeispiel recht ähnlich, so dass im Folgenden lediglich einige Unterschiede erläutert werden. Der Halbleiterchip
Eine derartige, flache Oberfläche
Der Halbleiterchip
Der Leadframe
Die
Das Halbleitermodul
Das Halbleitermodul
Der Leadframe
Das Halbleitermodul
Das Halbleitermodul
Weiterhin sind vier Trennstellen
Das Halbleitermodul
Bei den oben erläuterten Ausführungsbeispielen kann die jeweilige Halbleiterchip-Kontaktstelle
Im Verfahrensschritt S1 wird zumindest ein Halbleiterchip
Im Verfahrensschritt S2 wird zumindest ein Leadframe
Im Verfahrensschritt S3 wird eine jeweilige Kontaktverbindung
Zur Herstellung der jeweiligen Kontaktverbindung
Die beiden Kontaktverbindungen
Der erläuterte Verfahrensschritt kann auch für das dritte und fünfte bis achte Ausführungsbeispiel entsprechend angewendet werden, um zwei oder mehr der Kontaktverbindungen
Zusammenfassend betrifft die Erfindung zwei Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls. Weiterhin betrifft die Erfindung zwei derartige Halbleitermodule, insbesondere für einen Stromrichter eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung einen Stromrichter, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs, aufweisend zumindest ein derartiges Halbleitermodul. Schließlich betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere Hybrid- oder Elektrofahrzeug, aufweisend einen Antriebsstrang umfassend einen derartigen Stromrichter. In summary, the invention relates to two methods for producing a semiconductor module. Furthermore, the invention relates to two such semiconductor modules, in particular for a power converter of a drive train of a vehicle. Furthermore, the invention relates to a power converter, in particular for a drive train of a vehicle, comprising at least one such semiconductor module. Finally, the invention relates to a vehicle, in particular hybrid or electric vehicle, comprising a drive train comprising such a power converter.
Um die Herstellung eines derartigen Halbleitermoduls einfacher und kostengünstiger zu gestalten bzw. ein einfacher und kostengünstiger herstellbares Halbleitermodul bereitzustellen bzw. einzusetzen, werden folgende Verfahrensschritte vorgeschlagen:
- – Bereitstellen zumindest eines Halbleiterchips aufweisend zumindest eine elektrische Halbleiterchip-Kontaktstelle,
- – Bereitstellen zumindest eines Leadframes aufweisend zumindest eine elektrische Leadframe-Kontaktstelle,
- – Herstellen einer jeweiligen Kontaktverbindung als Bond-Verbindung mittels Bonden,
- Providing at least one semiconductor chip having at least one electrical semiconductor chip contact point,
- Providing at least one leadframe having at least one electrical leadframe contact point,
- Producing a respective contact connection as a bonding connection by means of bonding,
Alternativ folgende Verfahrensschritte vorgeschlagen:
- – Bereitstellen zumindest eines Substrates aufweisend zumindest eine elektrische Substrat-Kontaktstelle,
- – Bereitstellen zumindest eines Leadframes aufweisend zumindest eine elektrische Leadframe-Kontaktstelle,
- – Herstellen einer jeweiligen Kontaktverbindung als Bond-Verbindung mittels Bonden,
- Providing at least one substrate having at least one electrical substrate contact point,
- Providing at least one leadframe having at least one electrical leadframe contact point,
- Producing a respective contact connection as a bonding connection by means of bonding,
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das Halbleitermodul aufweist:
- – zumindest einen Halbleiterchip aufweisend zumindest eine elektrische Halbleiterchip-Kontaktstelle,
- – zumindest einen Leadframe aufweisend zumindest eine elektrische Leadframe-Kontaktstelle,
- – eine jeweilige Kontaktverbindung, welche eine der elektrischen Halbleiterchip-Kontaktstellen mit einer der elektrischen Leadframe-Kontaktstellen elektrisch verbindet,
- At least one semiconductor chip having at least one electrical semiconductor chip contact point,
- At least one leadframe having at least one electrical leadframe contact point,
- A respective contact connection which electrically connects one of the electrical semiconductor chip contact points to one of the electrical leadframe contact points,
Alternativ wird vorgeschlagen, dass das Halbleitermodul aufweist:
- – zumindest ein Substrat aufweisend zumindest eine elektrische Substrat-Kontaktstelle,
- – zumindest einen Leadframe aufweisend zumindest eine elektrische Leadframe-Kontaktstelle,
- – eine jeweilige Kontaktverbindung, welche eine der elektrischen Substrat-Kontaktstellen mit einer der elektrischen Leadframe-Kontaktstellen elektrisch verbindet,
- At least one substrate having at least one electrical substrate contact point,
- At least one leadframe having at least one electrical leadframe contact point,
- A respective contact connection electrically connecting one of the electrical substrate pads to one of the leadframe electrical contact pads,
Ferner werden ein entsprechender Stromrichter und ein entsprechendes Fahrzeug vorgeschlagen.Furthermore, a corresponding power converter and a corresponding vehicle are proposed.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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