DE102017100527A1 - Leistungsmodul mit optimiertem Bonddraht-Layout - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Offenbarung stellt ein Leistungsmodul bereit, das mindestens zwei Substrate aufweist, auf denen ein oder mehrere Halbleiter montiert sind, wobei die mindestens zwei Substrate über eine Mehrzahl von Bonddrähten verbunden sind, und wobei die Mehrzahl von Bonddrähten optimiert ist, um den Ohm'schen Widerstand zu minimieren.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Leistungsmodul, und insbesondere auf ein Leistungsmodul mit optimiertem Bonddraht-Layout.
  • Hintergrund
  • Halbleiter-Leistungsmodule sind in der Industrie weit verbreitet. Beispielsweise kann ein derartiges Leistungsmodul für das gesteuerte Schalten von hohen Strömen verwendet werden und kann in Leistungswandlern (z.B. Invertern) verwendet werden, um Gleichstrom in Wechselstrom oder umgekehrt umzuwandeln oder um zwischen verschiedenen Spannungen oder Frequenzen von Wechselstrom umzuwandeln. Derartige Wechselrichter werden in Motorsteuerungen oder Schnittstellen zwischen Stromerzeugung, Speicherung oder einem Stromleistungsverteilungsnetz eingesetzt. Beispielsweise kann ein Leistungsmodul in einem „Netzverbinder“-Inverter eines Batteriespeichersystems verwendet werden. In einem derartigen Batteriespeichersystem wird Strom einem Stromversorgungsnetz zugeführt, um entweder das Netz zu stabilisieren oder elektrische Energie während Zeiten zu liefern, wo die elektrische Energie des Netzes teuer ist, d.h. morgens und nachmittags. Die Batterien werden in der Nacht aufgeladen, wenn die Netzenergiekosten niedriger sind, oder sie können unter Verwendung von Solarenergie aufgeladen werden. Insgesamt hilft das System dem Kunden, die Kosten für elektrische Energie zu senken. Der „Netzverbinder“ Wechselrichter verbindet das Batteriespeichersystem mit dem Netz und hat die Aufgabe, die Gleichspannung der Batterie in Wechselspannung für das Netz umzuwandeln und umgekehrt.
  • Zusammenfassung
  • Es wird ein Leistungsmodul mit optimiertem Bonddraht-Layout eines Halbleiter-Leistungsmoduls bereitgestellt, das optimale Induktivitäts- /Widerstandsverhältnisse erreichen kann, um externe Eigenschaften zu ermöglichen.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Leistungsmodul mit einer optimierten Leistung, insbesondere auf den Ohm'schen Widerstand, zur Verfügung zu stellen.
  • In einem ersten Aspekt ist ein Leistungsmodul vorgesehen, dass mindestens zwei Substrate umfasst, auf denen ein oder mehrere Halbleiterschalter angeordnet sind, wobei die mindestens zwei Substrate über mehrere Bonddrähte verbunden sind und wobei die Vielzahl der Bonddrähte optimiert sind, um ihren ohmschen Widerstand zu minimieren.
  • Das heißt, die Mehrzahl von Bonddrähten ist so angeordnet, dass sie einen kleinsten ohmschen Widerstand aufweisen, der in der Gestaltung erlaubt ist.
  • In einer Ausführungsform ist die Mehrzahl der Bonddrähte so angeordnet, dass sie eine kleine Querschnittsfläche aufweisen. D.h. die Mehrzahl von Bonddrähten ist so verteilt, dass der Bereich einer Oberfläche, die senkrecht zu der Bahn der Bonddrähte ist und die durch die äußersten Bonddrähte begrenzt ist, eine Fläche aufweist, die kleiner ist als die, die normalerweise in einem Leistungsmodul dargestellt ist, das ausgebildet ist, um sowohl Streuinduktivität als auch ohmschen Widerstand zu minimieren.
  • In einer Ausführungsform ist die Mehrzahl der Bonddrähte so nahe wie möglich aneinander angeordnet, d.h. die Mehrzahl von Bonddrähten ist nahe beieinander, wobei ein Spalt dazwischen weitaus kleiner ist, als der, der normalerweise in einem Leistungsmodul vorgesehen ist, das ausgebildet ist, um sowohl die Streuinduktivität als auch den ohmschen Widerstand zu minimieren.
  • Zum Beispiel können die Bonddrähte mit einem Versatz eines Wertes platziert werden, der kleiner ist als die zweifache Dicke der Bonddrähte. Vorzugsweise kann der Wert kleiner als 1,2-mal die Dicke der Bonddrähte sein. Die Bonddrähte können typischerweise einen Durchmesser von 300 µm haben. In einem Beispiel können die Bonddrähte mit einem Versatz von 350 µm angeordnet werden, was das 1,17-fache der Bonddrahtdicke beträgt. Das bedeutet, dass es zwischen den Bonddrähten einen Abstand von 25 µm gibt.
  • In einem typischen Leistungsmodul-Layout nach dem Stand der Technik, das ausgebildet ist, um sowohl Streuinduktivität als auch ohmschen Widerstand zu minimieren, kann der Bonddraht-Versatz 600 µm oder mehr betragen, was die doppelte Dicke der Bonddrähte ist.
  • In einer Ausführungsform ist die Mehrzahl von Bonddrähten so kurz wie möglich angeordnet. D.h., jeder der Mehrzahl von Bonddrähten ist kürzer als der, der normalerweise in einem Leistungsmodul dargestellt ist, das ausgebildet ist als Kompromiss zwischen Streuinduktivität und ohmschem Widerstand.
  • In einer Ausführungsform ist die Anzahl der Mehrzahl von Bonddrähten größer als diejenige, die für die Stromführungsfähigkeit benötigt wird. D.h. die Anzahl der Bonddrähte ist zwischen dem 1,2- und 15-fachen der Anzahl, die erforderlich wäre, um sicherzustellen, dass absolute Temperatur- und/oder Temperaturzyklen innerhalb von Grenzen gehalten werden, um zuverlässige Bindungen zu gewährleisten. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Anzahl zwischen dem 1,5- und 5-fachen der Anzahl liegen, die erforderlich wäre, um sicherzustellen, dass absolute Temperatur- und/oder Temperaturzyklen innerhalb von Grenzen gehalten werden, die erforderlich sind, um zuverlässige Bindungen sicherzustellen.
  • In einer Ausführungsform ist die Vielzahl von Bonddrähten parallel angeordnet.
  • In einer Ausführungsform weisen die Halbleiterschalter Breit-bandgap-Halbleiterschalter auf.
  • In einer Ausführungsform weisen die Halbleiterschalter SiC-Halbleiter auf.
  • In einer Ausführungsform weisen die Halbleiterschalter SiC-MOSFETs auf.
  • In einer Ausführungsform weisen die mindestens zwei Substrate Direct Bonded Copper (DBC)-Substrate auf. Ein derartiges Substrat wird gebildet durch ein Kupfer/Keramik/Kupfer-Sandwich, wobei eine Schaltungsstruktur in der oberen Kupferschicht erzeugt werden kann und die mit Halbleiterschaltern, Kondensatoren und/oder Widerständen bestückt werden kann, wie es benötigt wird, um eine funktionierende Schaltung zu bilden.
  • In einer Ausführungsform ist das Leistungsmodul so konfiguriert, dass es eine induktive Last mit Energie versorgt.
  • In einer Ausführungsform ist die Mehrzahl von Bonddrähten mit einem Versatz eines Wertes angeordnet, der weniger als das Zweifache der Dicke der Bonddrähte beträgt.
  • In einer Ausführungsform ist der Wert kleiner als das 1,2-fache der Dicke der Bonddrähte.
  • In einer Ausführungsform ist die Mehrzahl der Bonddrähte das 1,5-fache dessen, das für die Stromführungsfähigkeit notwendig ist.
  • Figurenliste
  • Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren deutlicher, worin:
    • 1 eine Querschnittsansicht eines Leistungsmoduls nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
    • 2 eine perspektivische Ansicht des Leistungsmoduls nach der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
    • 3 eine Ansicht eines Leistungsmoduls zeigt mit Deckel, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung angeordnet ist;
    • 4 ein Diagramm einer Schaltungsstruktur eines beispielhaften Leistungsmoduls nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt,
    • 5 eine Draufsicht auf ein beispielhaftes Leistungsmodul nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
    • 6 ein Beispiel einer Anordnung zeigt, bei der zwei Substrate mit Bonddrähten verbunden sind, wobei (a) zeigt, dass die Bonddrähte weniger dicht und länger sind, während (b) zeigt, dass die Bonddrähte dichter und kürzer sind; und
    • 7 den Effekt der in 6 gezeigten Zusammenstellung zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Die Ausführungsformen der Offenbarung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es ist anzumerken, dass die folgenden Ausführungsformen lediglich beispielhaft sind, anstatt den Umfang der Offenbarung zu beschränken.
  • Bezugnahmen in der Beschreibung auf „eine einzige Ausführungsform“, „eine Ausführungsform“, usw. zeigen an, dass die beschriebene Ausführungsform ein spezielles Merkmal, Struktur oder Eigenschaft aufweisen kann, aber es ist nicht notwendig, dass jede Ausführungsform dieses besondere Merkmal, Struktur oder Eigenschaft aufweist. Darüber hinaus beziehen sich derartige Ausdrücke nicht notwendigerweise auf dieselbe Ausführungsform. Ferner wird, wenn ein spezielles Merkmal, Struktur oder Eigenschaft beschrieben wird in Verbindung mit einer Ausführungsform unterstellt, dass es innerhalb des Fachwissens eines Fachmanns ist, ein solches Merkmal, Struktur oder Eigenschaft in Verbindung mit anderen Ausführungsformen zu beeinflussen, ob explizit beschrieben oder nicht.
  • Es versteht sich, dass, obwohl die Begriffe „erste“ und „zweite“ usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Elemente zu beschreiben, diese Elemente nicht durch die Begriffe begrenzt werden sollten. Diese Begriffe werden lediglich verwendet, um ein Element von einem anderen zu unterscheiden. Beispielsweise kann ein erstes Element ein zweites Element genannt werden und in ähnlicher Weise könnte ein zweites Element ein erstes Element genannt werden, ohne vom Umfang der beispielhaften Ausführungsformen abzuweichen. Wie hierin verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ jede und alle Kombinationen von einem oder mehreren zugehörigen aufgelisteten Begriffe ein.
  • Die hier verwendete Terminologie wird zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen verwendet und es ist nicht beabsichtigt, sie auf beispielhafte Ausführungsformen zu beschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ein“, „eine“ und „der“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, der Kontext zeigt eindeutig etwas anderes an. Es wird ferner verstanden werden, dass die Begriffe „weist auf, „aufweisend“, „hat“, „haben“, „umfasst“, und/oder „umfassend“, wenn sie hier verwendet werden, die Anwesenheit von genannten Merkmalen, Elementen und/oder Komponenten usw. spezifizieren, aber nicht die Anwesenheit oder Hinzufügung von einem oder mehreren Merkmalen, Elementen, Komponenten und/oder Kombinationen davon ausschließen.
  • In der folgenden Beschreibung und Ansprüchen haben, soweit nicht anders definiert, alle technischen und wissenschaftlichen Begriffe dieselbe Bedeutung, wie sie üblicherweise durch den Durchschnittsfachmann verstanden werden, zu dem diese Offenbarung gehört.
  • 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Leistungsmoduls 100 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung und 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Leistungsmoduls nach der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Wie gezeigt, weist das Leistungsmodul 100 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung eine Kupfergrundplatte 110 mit zwei Substraten 120 auf, die oben darauf gelötet sind. Direct Bonded Copper (DBC)-Substrate werden in dem Leistungsmodul 100 verwendet. Die DBC-Substrate werden gebildet durch ein Sandwich aus Cu 122 (von beispielsweise 300 µm), wobei in der oberen Kupferschicht 122 eine Schaltungsstruktur gefunden werden kann, die Halbleiterschalter 130, Kondensatoren 150 und Gate-Widerstände 140 hält. Aluminium-Bonddrähte 160 werden verwendet für die Oberseitenverbindung der Chips und für die Verbindung mit Anschlüssen 210 einschließlich Signalanschlüssen und Leistungsanschlüssen des Leistungsmoduls 100. Die beiden DBC-Substrate sind über Bonddrähte 220 verbunden. Das Leistungsmodul ist mit einem gegossenen Kunststoffrahmen 170 (der die Presssitz-Kontaktanschlüsse hält) eingekapselt. Er ist mit Silikongel 180 gefüllt. Der Rahmen wird durch Metallbuchsen 230 fixiert. Das Leistungsmodul wird durch einen Kunststoffdeckel 300 geschlossen. 3 zeigt eine Ansicht des Leistungsmoduls 100 mit Deckel 300 an Ort und Stelle.
  • 4 zeigt ein Diagramm einer Schaltungsstruktur eines beispielhaften Leistungsmoduls 400 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Wie gezeigt, gibt es vier Halbleiter, T1-T4, und zwei Substrate DBC1 und DBC2 innerhalb des Leistungsmoduls. DBC1 hält T1 und T4 und DBC2 hält T2 und T3. Die Zahlen 1-24 in der Zeichnung bezeichnen Anschlussbezugsnummern des Leistungsmoduls. Die eingekreiste Linie bezeichnet die Verbindung zwischen den beiden DBC-Substraten.
  • 5 zeigt eine Draufsicht auf ein beispielhaftes Leistungsmodul 500 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Wie gezeigt, gibt es acht Halbleiter, wobei T1-T4 verdoppelt sind verglichen mit dem in 4 Gezeigten. DBC1 hält T1 und T4 und DBC2 hält T2 und T3. Mit anderen Worten wird jeder Transistor in 4 realisiert durch zwei parallele Transistoren in 5. Ähnlich wie in 4 bezeichnen die eingekreisten Bonddrähte die Verbindung zwischen den beiden DBC-Substraten. Die Nummern 1-26 in der Figur bezeichnen Anschlussbezugsnummern des Leistungsmoduls.
  • Bei der Montage des Leistungsmoduls werden zunächst die Halbleiterschalter, Widerstände und Kondensatoren an das DBC-Substrat gelötet. Danach wird das Substrat vorgetestet. Das getestete DBC wird dann auf eine 3 mm dicke Kupfergrundplatte, die mit einer Nickelplattierung bedeckt ist, gelötet. Danach wird der Kunststoffrahmen montiert; dies geschieht durch Verkleben des Rahmens mit der Grundplatte unter Verwendung von Silikonkleber. Darüber hinaus werden der Rahmen und die Grundplatte durch Metallbuchsen fixiert. Danach werden die Anschlüsse und die Substrate im zweiten Bonding-Schritt mit Bonddrähten verbunden. Im letzten Schritt wird das Modul mit Silikongel gefüllt, der Deckel wird montiert und das Modul wird daraufhin getestet, die elektrische Funktion sicherzustellen. Die Lötschritte können in einem einzelnen Lötschritt kombiniert werden, um Prozesskomplexität und damit Kosten zu sparen.
  • Das Leistungsmodul ist gestaltet, um zwei Haupteigenschaften zu erfüllen: hohe Leistungsumwandlungseffizienz und hohe Leistungsdichte. Faktoren wie Lebensdauer, Kosten und Qualität werden ebenfalls berücksichtigt.
  • Um eine hohe Leistungsdichte zu erzielen, können Hochleistungs-Breit-Bandgap-Halbleiter verwendet werden, wie Siliziumcarbid (SiC)-Halbleiterschalter, da sie im Allgemeinen Standard Silizium basierte Komponenten, d.h. isolierte Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) übertreffen. SiC-Geräte stellen hohe Anforderungen an die Auslegung des Leistungsmoduls aus thermischer und elektrischer Sicht.
  • Die Breit-Bandgap-Halbleiter (z.B. SiC-Halbleiterschalter) haben die Eigenschaft, dass sie sehr schnell schalten, was bedeutet, dass der Übergang vom Leitungs- zum Blockier-Modus nur wenige Nanosekunden dauert. Da die aktuellen Gradienten während des Schaltens hoch sind, muss die parasitäre Induktivität der gesamten Anordnung so klein wie möglich sein.
  • Um eine effiziente Kühlung zu ermöglichen, werden Substrate verwendet, die Aluminium-Nitrit (AIN) aufweisen. AIN hilft, den thermischen Widerstand (Rth) zu senken, so dass der Halbleiterschalter bei verminderten Temperaturen betrieben werden wird. Da Verluste in SiC-Halbleiterschaltern (beispielsweise SiC-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistoren (MOSFETs)) abnehmen, wenn die Speichertemperatur niedriger ist, hilft diese Maßnahme, die Leistungsmoduleffizienz weiter zu erhöhen.
  • SiC MOSFETs werden in Anwendungen verwendet, wo höchste Effizienz bei kleinem Bauvolumen durch die Anwendung benötigt wird. SiC MOSFETs zeigen schnelle Geschwindigkeiten und niedrigen Ein-Zustand-Widerstand (Rds, on) zur gleichen Zeit. Da SiC Wafer teuer in der Herstellung sind und es mit derzeitigen Herstellungsverfahren schwierig ist, Komponenten mit einer akzeptabel niedrigen Kristallversagungsmenge herzustellen, sind die Chips typischerweise sehr klein (z.B. 15-25 mm). Dies hält die Ertragsverluste niedrig, beschränkt aber den Gesamtstrom, den eine Komponente durchlassen kann. Um hohe Ausgangsleistungen zu erreichen, müssen mehrere dieser kleinen Komponenten (z.B. MOSFETs) parallel betrieben werden.
  • Ein Leistungsmodul kann induktive Lasten, beispielsweise ein elektrisches Netzsystem oder einen Elektromotor mit Leistung versorgen. Derartige Systeme sind bekanntlich überwältigend induktiv. Somit ist die Streuinduktivität der Last höher als alle Streuinduktivitäten, die normalerweise innerhalb des Leistungsmoduls erzeugt werden. Während bestimmte Teile des Leistungsmoduls bei niedrigeren Streuinduktivitäten viel effektiver sind, ist dies auf der Lastseite des Leistungsmoduls weniger wichtig. Bei solchen Teilen des Leistungsmoduls können die Streuinduktivitäten der Last oft 100- bis 1000-mal höher sein als die im Leistungsmodul befindlichen.
  • Wie man in den 4 und 5 sehen kann, ist die Bonddrahtverbindung zwischen DBC-Substraten direkt verbunden mit den Lastausgangsanschlüssen (Anschlüsse 11-14, die in den 4 und 5 gezeigt sind), und ungefähr die Hälfte des Gesamtstroms, der der Last zugeführt wird, durchläuft die Verbindung. Deswegen ist die Verbindung sorgfältig zu gestalten.
  • Für die Bonddrahtverbindung zwischen DBCs eines Leistungsmoduls können unterschiedliche Bonddrahtgestaltungen verwendet werden. Im Allgemeinen sollte ein Kompromiss zwischen Streuinduktivität und Ohm'schem Widerstand in Betracht gezogen werden. Wenn jedoch der Ausgangsanschluss des Leistungsmoduls mit induktiven Lasten verbunden ist, ist die Optimierung der inneren Phaseninduktivität des Leistungsmoduls nicht erforderlich. Stattdessen steht der Ohm'sche Widerstand im Fokus der Optimierung. D.h., es ist vorteilhaft, Bonddrähte eher im Hinblick auf den Ohm'schen Widerstand als im Hinblick auf die Streuinduktivität zu optimieren. In einer weiteren Ausführungsform sind die Bonddrähte optimiert, um ihren Ohm'schen Widerstand zu minimieren. In einer weiteren Ausführungsform sind die Bonddrähte so angeordnet, um eine kleinste Querschnittsfläche von ihnen zu erzeugen. In einer noch weiteren Ausführungsform ist es vorteilhaft, die Bonddrähte zwischen den DBCs so dicht wie möglich anzuordnen, um eine kleinstmögliche Querschnittsfläche zu erzeugen, die zu einer hohen Induktivität, aber einem niedrigen Ohm'schen Widerstand führt. In einer noch weiteren Ausführungsform ist es vorteilhaft, die Bonddrähte zwischen den DBCs so kurz wie möglich zu setzen, was zu einem niedrigen Ohm'schen Widerstand führt.
  • Es ist auch vorteilhaft, die Verbindung zwischen zwei Substraten mit einer größeren Anzahl von Bonddrähten zu verbinden, als dies für die Stromführungsfähigkeit erforderlich wäre. Mit anderen Worten sind sie „überbunden“. Diese Anzahl paralleler Bonddrähte mindert Streuinduktivität und Ohm'schen Widerstand, was für SiC-basierte Module relevant ist. Daher kann eine große Anzahl von parallel geschalteten Bonddrähten verwendet werden, um die elektrische Leistung der Leistungsmodule zu optimieren. Aus reiner Kostenperspektive macht es für Standard Si-Module keinen Sinn, da mehr Drahtmaterial und längere Prozesszeiten benötigt werden. Deswegen wird es normalerweise durch Modulhersteller für die Standard Si-Module vermieden.
  • 6 zeigt ein Beispiel einer Anordnung, bei der zwei Substrate 610, 610' mit Bonddrähten 620, 620' verbunden sind, die die Cu-Schicht 630, 630' auf den jeweiligen Substraten verbinden, wobei (a) zeigt, dass die Bonddrähte 620 weniger dicht und länger sind, während (b) zeigt, dass die Bonddrähte 620' dichter und kürzer sind, d.h. die Bonddrähte 620' sind nahe beieinander. 7 zeigt den Effekt der in 6 gezeigten Anordnung, worin (a) 6(a) entspricht während (b) 6(b) entspricht. In 6(a) sind die Bonddrähte 620 mit einem gewissen Abstand voneinander und somit haben die Magnetfelder eine niedrige Kopplung, was zu einer geringen Induktivität führt, wie in 7(a) gezeigt. Zur selben Zeit wird der Ohm'sche Widerstand leicht erhöht, da die Drähte geringfügig länger sind. In 6(b) sind die Bonddrähte 520' dichter gepackt und somit haben die Magnetfelder eine starke Kupplung, was zu einer höheren Streuinduktivität führt, wie in 7(b) gezeigt. Gleichzeitig wird der Ohm'sche Widerstand reduziert, da die Bonddrähte kürzer sind als die in 6(a).
  • In einer Ausführungsform werden die Bonddrähte mit einem Versatz eines Wertes platziert, der kleiner als das Zweifache der Dicke der Bonddrähte ist. Vorzugsweise ist der Wert kleiner als das 1,2-fache der Dicke der Bonddrähte. Die Bonddrähte sind typischerweise 300 µm im Durchmesser. In einem Beispiel sind die Bonddrähte mit einem Versatz von 350 µm plaziert, was das 1,17-fache der Bonddrahtdicke ist. Das bedeutet, dass es zwischen den Bonddrähten eine Lücke von 25 µm gibt. Verglichen mit der Ausführungsform, bei der der Ohm'sche Widerstand anstelle der Induktivität minimiert ist, würde eine Verbindung, die die Streuinduktivität minimiert, einen Bonddrahtabstand von typischerweise 600 µm oder mehr haben, was das 2-fache der Dicke der Bonddrähte ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform beträgt die Anzahl der Bonddrähte das 1,5-fache dessen, was für die Stromführungsfähigkeit erforderlich ist. Wenn bei der Wahl der Anzahl der Bonddrähte nur die Stromführungsfähigkeit berücksichtigt wird, wären 7 Aluminium-Bonddrähte erforderlich, um die Übertragung von normalerweise zu erwartenden Strömen zu ermöglichen. In einer Ausführungsform werden etwa 10 Aluminium-Bonddrähte verwendet. Die große Anzahl von parallel geschalteten Bonddrähten reduziert die Streuinduktivität, was wiederum die Leistung des Leistungsmoduls optimiert.
  • In der vorliegenden Offenbarung wird durch die Verwendung einer dicht gepackten Anordnung der Drahtbonds, um zwei Substrate in einem Leistungsmodul zu verbinden, die Leistung des Leistungsmoduls im Hinblick auf Ohm'schen Widerstand optimiert, der in der resultierenden Leistung dominant ist.
  • Die Offenbarung wurde oben mit Bezug auf Ausführungsformen von ihr beschrieben. Es versteht sich, dass verschiedene Modifikationen, Änderungen und Ergänzungen von Fachleuten vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Daher ist der Umfang der Offenbarung nicht auf wenige besondere Ausführungsformen beschränkt, sondern ist nur durch die beigefügten Ansprüche definiert.

Claims (14)

  1. Leistungsmodul mit mindestens zwei Substraten, auf denen ein oder mehrere Halbleiterschalter angebracht sind, wobei die mindestens zwei Substrate über eine Mehrzahl von Bonddrähten verbunden sind und wobei die Mehrzahl der Bonddrähte optimiert sind, um den Ohm'schen Widerstand von ihnen zu minimieren.
  2. Leistungsmodul nach Anspruch 1, worin die Mehrzahl der Bonddrähte so angeordnet ist, dass sie eine kleine Querschnittsfläche von ihr aufweist.
  3. Leistungsmodul nach Anspruch 1, worin die Mehrzahl von Bonddrähten so angeordnet ist, dass sie so dicht wie möglich zueinander sind.
  4. Leistungsmodul nach Anspruch 1, worin die Mehrzahl von Bonddrähten so angeordnet ist, dass sie so kurz wie möglich sind.
  5. Leistungsmodul nach Anspruch 1, worin die Anzahl der Mehrzahl von Bonddrähten größer ist als die für die Stromführungsfähigkeit benötigte.
  6. Leistungsmodul nach Anspruch 1, worin die Mehrzahl von Bonddrähten parallel angeordnet ist.
  7. Leistungsmodul nach Anspruch 1, worin die Halbleiterschalter Breit-Bandgap-Halbleiterschalter aufweisen.
  8. Leistungsmodul nach Anspruch 7, worin die Breit-Bandgap-Halbleiterschalter Silikon Carbid (SiC)-Halbleiterschalter aufweisen.
  9. Leistungsmodul nach Anspruch 7, worin die Breit-Bandgap-Halbleiterschalter SiC Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekt Transistoren (MOSFETs) aufweisen.
  10. Leistungsmodul nach Anspruch 1, worin die mindestens zwei Substrate Direct Bonded Copper auf DBC-Substrate aufweisen.
  11. Leistungsmodul nach Anspruch 1, worin das Leistungsmodul so konfiguriert ist, dass es eine induktive Last mit Energie versorgt.
  12. Leistungsmodul nach Anspruch 1, worin die Mehrzahl von Bonddrähten mit einem Versatz eines Wertes angeordnet ist, der kleiner ist als das 2-fache der Dicke der Bonddrähte.
  13. Leistungsmodul nach Anspruch 12, worin der Wert kleiner ist als das 1,2-fache der Dicke der Bonddrähte.
  14. Leistungsmodul nach Anspruch 1, worin die Anzahl der Mehrzahl von Bonddrähten das 1,5-fache dessen ist, das für die Stromführungsfähigkeit benötigt wird.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019215724A1 (de) * 2019-10-14 2021-04-15 Zf Friedrichshafen Ag Leistungsmodul zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs mit erhöhter Störfestigkeit

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6424035B1 (en) * 1998-11-05 2002-07-23 Fairchild Semiconductor Corporation Semiconductor bilateral switch
US6847122B1 (en) * 2003-10-16 2005-01-25 Kulicke & Soffa Investments, Inc. System and method for preventing and alleviating short circuiting in a semiconductor device
JP4554724B2 (ja) * 2008-01-25 2010-09-29 新日鉄マテリアルズ株式会社 半導体装置用ボンディングワイヤ
GB2471497B (en) * 2009-07-01 2014-08-20 Tdk Lambda Uk Ltd Heat sink
US8836120B2 (en) * 2011-04-19 2014-09-16 Infineon Technologies Ag Semiconductor device with a layer including niobium, and/or tantalum overlying a contact pad or a metal layer
EP3226294B1 (de) * 2014-11-28 2021-04-07 Nissan Motor Co., Ltd. Halbbrückenleistungshalbleitermodul und verfahren zu dessen herstellung

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019215724A1 (de) * 2019-10-14 2021-04-15 Zf Friedrichshafen Ag Leistungsmodul zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs mit erhöhter Störfestigkeit

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