DE102018207360A1 - Stromschiene, verfahren für deren herstellung und leistungsmodul, welches selbige aufweist - Google Patents

Stromschiene, verfahren für deren herstellung und leistungsmodul, welches selbige aufweist Download PDF

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Abstract

Es wird eine leitende Stromschiene bereitgestellt, welche geeignet ist zur Verwendung in einem Halbleiterleistungsmodul. Die Stromschiene weist eine Hauptplatte, ein oder mehrere Beine, welche sich von der Hauptplatte erstrecken, und einen oder mehrere Füße auf, welche an dem freien Ende der Beine gebildet sind. Gemäß der Erfindung ist eine Kompensationsschicht fest an einer Seite der Hauptplatte befestigt und weist die Kompensationsschicht einen derartigen thermischen Expansionskoeffizienten auf, dass die Hauptplatte sich bei erhöhter Temperatur biegt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Halbleiterleistungsmodulen, insbesondere auf eine in derartigen Leistungsmodulen verwendete Stromschiene.
  • Beschreibung des in Bezug genommenen Standes der Technik
  • Halbleiterleistungsmodule weisen einen oder mehrere Halbleiterschalter, wie z. B. IGBTs, MO-FSTs oder andere Leistung steuernde Halbleiter, welche mit den Leistungseingängen verbunden sind, Leistungsausgänge und einen oder mehrere Steuerverbinder auf, durch welche das Schalten der Halbleiter gesteuert wird. Das Paket der Leistungsmodule ist vervollständigt durch eine gewisse Art eines Gehäuses, welche den elektrischen Schaltkreis und die Komponenten gegenüber der Umgebung schützt.
  • Ein typisches Leistungsmodul weist eine Grundplatte auf, auf welcher ein Substrat wie beispielsweise ein direkt bondiertes Kupfersubstrat (DBC) montiert ist. Das Substrat weist eine zentrale Keramikschicht auf, auf welcher Kupferschichten auf jeder Seite bondiert sind. Auf der oberen Seite dieses Substrates kann ein Schaltkreismuster gedruckt oder geätzt sein, auf welches Komponenten wie z. B. Leistungshalbleiter montiert sind. Andere Arten von Substrat können ebenfalls verwendet werden. Z. B. weist direkt bondiertes Aluminium (DBA), welches eine ähnliche Struktur unter Verwendung von Aluminium anstelle von Kupfer aufweist, eine Isolierschicht mit leitenden Bahnen auf einer oder auf beiden Seiten auf. Bei bestimmten Hochleistungsvorrichtungen wird zweckmäßigerweise eine Stromschienenstruktur zum Leiten eines Stromes in ein oder aus einem Modul verwendet, und zwar zwischen den äußeren Kontakten und den Verbindungspunkten auf dem Substrat.
  • Oftmals können derartige Stromschienenstrukturen durch Stanzen oder Schneiden aus einem flachen Blech eines leitenden Metalls wie beispielsweise Kupfer und anschließendem Biegen in eine Struktur ausgebildet sein, welche Strom zwischen den äußeren Kontakten und den geeigneten Punkten auf dem Substrat leiten kann. Oft weist eine derartige Struktur Beine und Füße auf, wobei die Beine eine obere plattenartige Struktur auf der Stromschiene nach unten zu dem Niveau des Substrates verbinden und wobei die Füße einen Verbindungsbereich parallel zu dem Substrat bilden. Diese Füße werden verwendet, um eine Verbindung mit niedrigem elektrischen Widerstand zu dem Substrat durch beispielsweise Löten, Sintern oder Ultraschallschweißen zu realisieren.
  • Während der Herstellung eines derartigen Moduls können Prozesse wie z. B. Löten, Sintern oder andere Prozesse unter Verwendung von Wärme die Temperatur eines Teiles der oder der gesamten Modulstruktur zeitweilig anheben. Außerdem sind derartige Module im Betrieb variierenden elektrischen Lasten ausgesetzt, und die auf dem Substrat montierten Komponenten erzeugen Wärme. Während das meiste dieser Wärme im Allgemeinen abgeleitet wird, variiert die Temperatur des Substrates und der verbundenen Stromschiene. Wenn die Temperatur der Teile eines Moduls sich signifikant ändern, ob es nun während der Herstellung oder während des Betriebes ist, kann ein Problem auftreten, weil die thermische Expansion der Substrat/Grundplatten-Struktur und die thermische Expansion der Stromschiene sehr unterschiedlich sein können, und zwar in Folge der Tatsache, dass ihre thermischen Expansionskoeffizienten (CTE) verschieden sind.
  • Substrate sind oft eine laminierte Struktur mit einem Keramikkern und elektrisch leitenden dünnen Schichten an jeder Seite, und die Grundplatte, auf welcher die Substrate fest mittels Kleben, Löten, Sintern, Hartlöten oder anderen bekannten Technologien angebracht sind, sind oft aus einem festen Metall, wie z. B. Kupfer oder Aluminium hergestellt. Ein typischer CTE eines Substrates ist 7 × 10-6/°C, wobei der einer Kupferplatte 16 × 10-6/℃ ist, weshalb das Substrat typischerweise einen CTE aufweist, welcher verschieden von dem einer festen Kupfergrundplatte ist. Der Unterschied in den thermischen Expansionskoeffizienten des Substrates und der Grundplatte kann ein Biegen der kombinierten Substrat/Grundplatten-Struktur bewirken.
  • Eine Stromschienenstruktur, welche typischerweise ein Metall aufweist, verformt sich nicht in derselben Weise, da sie nicht aus Materialien unterschiedlicher CTEs ist. Dieses unterschiedliche Biegen kann zu Spannungen an den Verbindungspunkten zwischen den Füßen der Stromschiene und des Substrates führen. Die Spannungen wiederum können ein Reißen an der Verbindungsstelle und möglicherweise eine Unterbrechung bewirken. Dieser Vorgang schränkt die Zuverlässigkeit einer derartigen Konstruktion erheblich ein, was ein großer Nachteil ist.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stromschiene bereitzustellen, welche die oben genannten Unzulänglichkeiten überwinden oder zumindest abmildern kann.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine leitende Stromschiene zur Verwendung in einem Halbleiterleistungsmodul bereitgestellt, welche eine Hauptplatte, ein oder mehrere Beine, welche sich von der Hauptplatte erstrecken, und einen oder mehrere Füße aufweist, welche an dem freien Ende der Füße gebildet sind, wobei eine Kompensationsschicht fest mit einer Seite der Hauptplatte befestigt ist, wobei die Kompensationsschicht einen derartigen thermischen Expansionskoeffizienten hat, dass die Hauptplatte sich bei einer erhöhten Temperatur biegt.
  • Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Kompensationsschicht mit der oberen Seite der Hauptplatte verbunden. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist die Kompensationsschicht mit der unteren Seite der Hauptplatte verbunden.
  • Bei einigen Ausführungsbeispielen weist die Kompensationsschicht einen thermischen Expansionskoeffizienten auf, welcher größer ist als der thermische Expansionskoeffizient der Hauptplatte. Bei anderen Ausführungsbeispielen weist die Kompensationsschicht einen thermischen Expansionskoeffizienten auf, welcher niedriger ist als der thermische Expansionskoeffizient der Hauptplatte.
  • Bei einigen Ausführungsbeispielen sind das Material und die Dicke der Kompensationsschicht so gewählt, dass das Biegen der Stromschiene unter erhöhter Temperatur zum Biegen einer Grundplatte/Substrat-Struktur passt, an welcher die Stromschiene angebracht ist oder angebracht werden soll. Auf diese Art und Weise werden Verformung, Brechen, Trennen, Reißen und andere nachteilige Effekte in der Stromschiene bei veränderten Temperaturen minimiert.
  • In einigen Ausführungsbeispielen ist die Kompensationsschicht aus einem Material hergestellt, welches ausgewählt ist aus der Gruppe, welche aus Zinn, Aluminium, Magnesium, Zink, Lithium und Polymere, wie z. B. Nylon besteht. In anderen Ausführungsbeispielen ist die Kompensationsschicht aus einem Material hergestellt, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Siliciumcarbid (SiC), Wolfram, Al2O3 (Aluminiumoxid), Glas, Stahl und Nickel besteht.
  • In einigen Ausführungsbeispielen weist die Hauptplatte der Stromschiene eine Dicke von 0,5 mm bis 2 mm auf, wobei die Kompensationsschicht eine Dicke von 0,1 mm bis 2 mm aufweist.
  • In einigen Ausführungsbeispielen ist die Kompensationsschicht eine feste Schicht, welche im Wesentlichen eine gesamte Seite der Hauptplatte der Stromschiene bedeckt. In anderen Ausführungsbeispielen besteht die Kompensationsschicht aus Streifen, welche sich entlang der Längsrichtung der Hauptplatte der Stromschiene erstrecken, und zwar insoweit, als ein ausreichendes Biegen bei erhöhten Temperaturen gewährleistet werden kann.
  • In einigen Ausführungsbeispielen ist die Kompensationsschicht an der Hauptplatte mittels Kleben, Löten, Sintern, Hartlöten, Kaltgassprühen, Plasmasprühen, Rollen, dcb-Verarbeiten (eutektisches Bondieren) oder Laminieren oder irgendeinen anderen Prozess befestigt, welcher für diesen Zweck geeignet ist.
  • In einigen Ausführungsbeispielen erstrecken sich die Beine der Stromschiene von einer Seite oder zwei gegenüberliegenden Seiten der Hauptplatte der Stromschiene, insbesondere den zwei Längsseiten.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Stromschienensystem bereitgestellt, welches zwei oder mehr oben definierte Stromschienen aufweist, wobei die Stromschienen in dichter Nähe mit einem Luftspalt oder einem Isolierfilm oder einer Schicht zwischen sich angeordnet sind und jede Stromschiene sich in derselben Richtung und in demselben Maße bei einer erhöhten Temperatur biegt.
  • Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Leistungsmodul bereitgestellt, welches eine oben beschriebene Stromschiene oder ein Stromschienensystem aufweist. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Ausbilden einer Stromschiene gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt, welches die Schritte aufweist:
    • Stanzen oder Ausschneiden einer ebenen Struktur mit einer Hauptplatte und zumindest einem Bein aus einem elektrisch leitenden Blech;
    • Biegen des zumindest einen Beines heraus aus der Ebene der Hauptplatte und Biegen des Endabschnittes des zumindest einen Beines, um einen Fuß zu bilden; und
    • Befestigen einer Kompensationsschicht auf der Hauptplatte, und zwar entweder auf der oberen Seite oder auf der unteren Seite.
  • Figurenliste
  • Diese und weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher und verständlicher aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele unter Bezug auf die Zeichnungen, in welchen:
    • 1 eine Seitenansicht einer typischen Grundplatte/Substrat-Struktur ist;
    • 2 dieselbe Struktur wie in 1 gezeigte zeigt, mit Ausnahme, dass die Struktur im Vergleich zu der gemäß 1 infolge der unterschiedlichen Ausdehnung der Grundplatte und des Substrates gebogen ist;
    • 3 die Struktur gemäß 1 zeigt, jedoch zusätzlich mit einer konventionellen Kupferstromschiene;
    • 4 eine Perspektivansicht der Stromschiene gemäß 3 ist;
    • 5 eine Seitenansicht der in 3 gezeigten Struktur ist, wobei die Grundplatte/Substrat-Struktur infolge der unterschiedlichen Expansion der Grundplatte und des Substrates gebogen ist;
    • 6 ein Ausführungsbeispiel der Stromschiene gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei zusätzlich eine Kompensationsschicht auf der oberen Seite der konventionellen Stromschiene vorgesehen ist;
    • 7 eine Perspektivansicht der Stromschiene gemäß 6 ist;
    • 8 eine Perspektivansicht ist, welche ein weiteres Ausführungsbeispiel der Stromschiene gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei zusätzlich eine Kompensationsschicht in Form von zwei länglichen Streifen auf der oberen Seite der konventionellen Stromschiene vorgesehen ist;
    • 9 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Stromschiene gemäß der vorliegenden Erfindung ist, welche auf einer Grundplatte/Substrat-Struktur montiert ist;
    • 10 eine ähnliche Ansicht wie 9 ist, wobei die Stromschiene gemäß der vorliegenden Erfindung sowie die Grundplatte/Substrat-Struktur in Folge unterschiedlicher thermischer Expansion gebogen ist;
    • 11 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Stromschiene gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, bei welcher zusätzlich eine Kompensationsschicht auf der unteren Seite der konventionellen Stromschicht vorgesehen ist;
    • 12 eine Seitenansicht eines zweischichtigen Stromschienensystems ist, welches aus zwei Stromschienen gebildet ist, welche ähnlich der in 6 gezeigten sind;
    • 13 eine Perspektivansicht eines Stromschienensystems gemäß 12 ist, in welchem nur eine Kompensationsschicht sichtbar ist;
    • 14 ein Flussdiagramm ist, welches die Schritte des Verfahrens zum Bilden einer Stromschiene gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Technische Lösungen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend detaillierter auf Ausführungsbeispielbasis unter Bezugnahme auf die 1 bis 14 beschrieben. Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen soll das allgemeine erfinderische Konzept der vorliegenden Erfindung verdeutlichen und soll nicht als die vorliegende Erfindung einschränkend angesehen werden.
  • In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung sind für Zwecke einer Erklärung zahlreiche spezifische Details ausgeführt, um ein sorgfältiges Verständnis der beschriebenen Ausführungsbeispiele bereitzustellen. Es ist jedoch ersichtlich, dass ein oder mehrere Ausführungsbeispiele ohne diese spezifischen Details praktisch umgesetzt sein können. In anderen Fällen sind bekannte Strukturen und Vorrichtungen schematisch dargestellt, um die Zeichnungen zu vereinfachen.
  • Wie nachfolgend verwendet, soll das „freie Ende“ eines Fußes das Ende des Fußes bedeuten, welches verschieden von dem ist, an welchem das Bein mit der Hauptplatte der Stromschiene verbunden ist.
  • Wie hier nachfolgend verwendet, soll die „Längsrichtung“ einer Hauptplatte die Richtung der Hauptplatte mit der größten Ausdehnung bedeuten. In den meisten Fällen, bei welchen die Hauptplatte eine im Allgemeinen rechteckige Form hat, ist die Längsrichtung die Richtung der langen Seiten des Rechteckes, entlang welcher eine oder zwei Reihen von Beinen angeordnet sind.
  • Wie hier nachfolgend verwendet, soll die „obere Seite“ einer Hauptplatte die Seite der Hauptplatte bedeuten, welche von dem Substrat oder der Grundplatte wegweist, an welches oder welche die Stromschiene angebracht ist oder angebracht werden soll, und die „untere Seite“ einer Hauptplatte soll die Seite der Hauptplatte bedeuten, welche in Richtung auf das Substrat oder die Grundplatte weist, an welchem oder an welcher die Stromschiene angebracht ist oder angebracht werden soll.
  • 1 zeigt eine typische Grundplatte/Substrat-Struktur. Hierbei ist die Grundplatte 2 aus Kupfer gebildet. An die Grundplatte 2 ist ein Substrat 1 gelötet, welches eine obere Kupferschicht 11 (hier in mehrere separate Schaltkreiselemente durch geätzte Kanäle durch die Kupferschicht nach unten zu der Keramikschicht ausgebildet), eine zentrale Keramikschicht 12 und eine kontinuierliche Kupferschicht 13 auf der anderen Seite der Keramik gelötet, welche ihrerseits an die Grundplatte 2 gelötet ist. Halbleiterkomponenten 3 sind mit der oberen Kupferschicht 11 verbunden, und die Verbindungen sind zwischen diesen Komponenten 3 und anderen Elementen mittels Drahtbondierungen hergestellt. Drahtbondierungen sind eine Verbindungstechnologie, welche im Stand der Technik bekannt ist, und Metalldrähte 4 aufweisen, welche aus Kupfer, Aluminium oder einem anderen geeigneten Metall sein können.
  • 2 zeigt die gleiche Struktur wie die in 1 gezeigte, jedoch mit der Ausnahme, dass die Struktur im Vergleich mit 1 in Folge der unterschiedlichen Expansion der Grundplatte 2 und des Substrates 1 gebogen ist. Da der CTE hierbei größer ist als der CTE des DBC-Substrates 1 und deshalb die zwei Seiten der Grundplatte 2 in unterschiedlichem Maße expandieren, hat ein Biegen der Struktur in der gezeigten Art stattgefunden.
  • 3 zeigt die Grundplatte/Substrat-Struktur gemäß 1, jedoch zusätzlich mit einer konventionellen Kupferstromschiene 5. Wie in 3 gezeigt, weist die Stromschien 5 drei Beine 52 auf, welche die obere Oberfläche des Substrates erreichen und welche mit den elektrischen Verbindungen des Substrates mittels Löten, Schweißen, Sintern oder anderen bekannten Verbindungstechnologien verbunden sind. Es versteht sich jedoch, dass die Stromschiene weitere Beine hat, welche in der Figur nicht sichtbar sind.
  • 4 ist eine Perspektivansicht der Stromschicht 5, wie in 3 gezeigt, und zwar mit sechs Beinen 52 und sechs Füßen 53 und einem externen Verbinder 54, welcher im Stand der Technik üblich ist. Insbesondere weist die Stromschiene 5 eine Hauptplatte 51 von rechteckiger Form, sechs Beine 52 (von denen nur vier in der Figur gezeigt sind), welche sich von den zwei gegenüberliegenden Seiten der Hauptplatte 51 erstrecken, und einen externen Verbinder 54 auf, welcher sich von einer der verbleibenden Seiten der Hauptplatte 51 erstreckt. Jedes Bein 52 endet an seinem freien Ende mit einem Fuß 53. Die sechs Beine 52 erstrecken sich in Richtungen quer zu der Seite der Hauptplatte 51, und jeder Fuß 53 erstreckt sich in einer Richtung quer zu der Erstreckungsrichtung des entsprechenden Beines 52. Die Stromschiene 5 ist durch Stanzen oder Biegen aus einem Metallblech wie beispielsweise Kupfer, Aluminium oder einem anderen Metall mit relativ niedrigem elektrischen Widerstand gebildet.
  • 5 ist eine Seitenansicht der in 3 gezeigten Struktur, bei welcher die Grundplatte/Substrat-Struktur in Folge der unterschiedlichen Expansion der Grundplatte und des Substrates gebogen ist. Wie in der Figur gezeigt, expandieren, wenn die Temperatur der Stromschiene 5 steigt, die zwei Seiten der Hauptplatte gleich, so dass in der Stromschiene 5 kein Biegen stattfindet. Da die Grundplatte/Substrat-Struktur nicht in derselben Weise expandiert und ein Biegen auf Basis der nicht aufeinander abgestimmten CTE der unterschiedlichen Schichten der Struktur stattfindet, führt ein Nichtaufeinanderabstimmen zwischen der Expansion der Stromschiene 5 und der Expansion der Grundplatte/Substrat-Struktur zu hohen Spannungen in jedem Bein 52 und an dem Fuß 53 jedes Beins 52 der Stromschiene 5. Die Spannungen wiederum führen zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit einer Verformung, eines Brechens, einer Trennung oder eines Reißens oder anderer nachteiliger Wirkungen und führen sogar zu einer Unterbrechung und reduzieren daher die Zuverlässigkeit der Struktur erheblich.
  • 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Stromschiene 5 gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei zusätzlich eine Kompensationsschicht 55 auf der oberen Seite einer konventionellen Stromschiene vorgesehen ist. Hierbei ist eine Schicht aus einem Material mit niedrigem CTE fest mit der oberen Seite der Stromschiene 5 verbunden worden. Das Material mit niedrigem CTE und seine Dicke wird ausgewählt in Abhängigkeit von den Eigenschaften des in der Stromschiene 5 verwendeten Materials und der Grundplatte/Substrat-Struktur, auf welche die Stromschiene 5 angebracht ist bzw. angebracht werden soll. Das Material und die Dicke werden so ausgewählt, dass das Biegen der Stromschiene 5 unter geänderten Temperaturen zu dem Biegen der Grundplatte/Substrat-Struktur passt. D. h. es soll sichergestellt werden, dass die Spannungen in jedem Bein 52 und an dem Fuß 53 jedes Beines 52 der Stromschiene 5 so niedrig wie möglich sind.
  • 7 ist eine Perspektivansicht der Stromschiene 5 gemäß 6. Wie in der Figur gezeigt, ist eine Kompensationsschicht 55 an der oberen Seite der Stromschiene 5 angebracht. In diesem Fall ist die Kompensationsschicht 55 eine feste Schicht, welche im Wesentlichen die gesamte obere Oberfläche der Hauptplatte 51 der Stromschiene 5 bedeckt. Es versteht sich jedoch, dass die Kompensationsschicht 55 nicht auf die gezeigte spezifische Form beschränkt ist, vielmehr kann sie jegliche Form haben, welche das Biegen der Stromschicht 5 unter veränderten Temperaturen bewirkt. Z. B. kann, wie in 8 gezeigt, die Kompensationsschicht 55 aus mehreren (zwei in dem gezeigten Fall) Streifen eines Materials mit niedrigem CTE bestehen, welche sich entlang der Längsrichtung der Hauptplatte 51 der Stromschiene 5 erstrecken.
  • 9 ist eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Stromschiene 5 gemäß der vorliegenden Erfindung, welche an einer Grundplatte/Substrat-Struktur montiert ist. Es ist ersichtlich, dass die Kompensationsschicht 55 an der oberen Oberfläche der Hauptplatte 51 der Stromschiene 5 angebracht ist. Unter einer normalen Temperatur findet das Biegen weder in der Grundplatte/Substrat-Struktur noch in der Stromschiene 5 statt.
  • 10 zeigt die Struktur gemäß 9 unter einer erhöhten Temperatur. Wie in den 2 und 5 ist die Grundplatte/Substrat-Struktur unter der erhöhten Temperatur gebogen. Gleichzeitig ist die Stromschiene 5 mit der Kompensationsschicht 55 gemäß der vorliegenden Erfindung ebenfalls in einer entsprechenden Art und Weise gebogen, so dass die Spannungen, welche in der in 5 gezeigten Situation vorhanden sind, wesentlich reduziert sind. Es versteht sich, dass zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung das Biegen der Grundplatte/Substrat-Struktur und der Stromschiene 5 etwas übertrieben dargestellt ist.
  • 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Stromschiene 5 gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei zusätzlich eine Kompensationsschicht 55 auf der unteren Seite der konventionellen Stromschiene vorgesehen ist. Hier ist eine Schicht eines Materials mit hohem CTE fest an der unteren Seite der Stromschiene 5 befestigt. Das Material mit dem hohen CTE und seine Dicke werden entsprechend den Eigenschaften von in der Stromschiene 5 und der Grundplatte/Substrat-Struktur verwendeten Materials ausgewählt, auf welche die Stromschiene 5 angebracht ist bzw. angebracht werden soll. Das Material und die Dicke werden so ausgewählt, dass das Biegen der Stromschiene 5 unter geänderten Temperaturbedingungen zu dem Biegen der Grundplatte/Substrat-Struktur passt. D. h. es wird sichergestellt, dass die Spannungen in jedem Bein 52 und an dem Fuß 53 jedes Beins 52 der Stromschiene 5 so niedrig wie möglich sind.
  • Die Situation, in welcher die Stromschiene 5 gemäß 11 an einer Grundplatte/Substrat-Struktur montiert ist, und das Biegen der Grundplatte/Substrat-Struktur und der Stromschiene 5 sind ähnlich der in 9 und 10 gezeigten und werden hier nicht weiter erläutert.
  • 12 ist eine Seitenansicht eines zweischichtigen Stromschienensystems, welches aus zwei Stromschienen 5 gebildet ist, welche ähnlich der in 6 gezeigten ist. Eine derartige zweischichtige Stromschienenstruktur kann zum Verteilen hoher und niedriger Spannungen verwendet werden, welche den Leistungsschaltern, welche auf dem Substrat vorgesehen sind, zugeführt werden. Wie in der Figur gezeigt, ist an der oberen Seite der Hauptplatte 51 jeder Stromschiene 5 eine Kompensationsschicht jeweils fest befestigt. In diesem Fall sind die Kompensationsschichten 55 aus einem Material mit niedrigem CTE ausgebildet. Wiederum sind das Material mit niedrigem CTE und seine Dicke in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Materials ausgewählt, welches in der Stromschiene 5 und der Grundplatte/Substrat-Struktur verwendet wird, auf welche die Stromschiene 5 angebracht ist bzw. angebracht werden soll. Das Material und die Dicke der zwei Kompensationsschichten 55 sind so ausgewählt, dass das Biegen jeder Stromschiene 5 unter geänderten Temperaturen zu dem Biegen der Grundplatte/Substrat-Struktur passt. D. h. es wird sichergestellt, dass die Spannungen in jedem Bein 52 und an dem Fuß 53 jedes Beines 52 der Stromschiene 5 so niedrig wie möglich sind.
  • Natürlich kann ein zweischichtiges Stromschienensystem auch aus zwei Stromschienen 5 ausgebildet sein, wie in 11 gezeigt, oder aus einer Stromschiene, wie in 6 gezeigt, und einer Stromschiene, wie in 11 gezeigt. Des Weiteren kann ein Stromschienensystem mit mehr als zwei Schichten in ähnlicher Weise ausgebildet sein.
  • 13 ist eine Perspektivansicht des zweischichtigen Stromschienensystems gemäß 12. Beide Stromschienenschichten weisen eine Kompensationsschicht 55 auf, welche mit jeder davon verbunden ist. Hierbei ist nur die Kompensationsschicht 55 sichtbar, welche mit der oberen Stromschicht 5 verbunden ist.
  • 13 ist ein Flussdiagramm, welches die Schritte des Verfahrens zum Bilden einer Stromschiene gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Eine ebene Struktur mit einer Hauptplatte und zumindest einem Bein wird zuerst gestanzt oder ausgeschnitten 1301 aus einem elektrisch leitenden Blech. Dann wird das zumindest ein Bein aus der Ebene der Hauptplatte herausgebogen 1302, und der Endabschnitt des zumindest einen Beines wird gebogen, um einen Fuß zu bilden. Nachfolgend wird eine Kompensationsschicht an der Hauptplatte befestigt, und zwar entweder an der oberen Seite oder an der unteren Seite. Es versteht sich, dass die letzten zwei Schritte umgekehrt werden können. Des Weiteren ist es möglich, die Kompensationsschicht an der Hauptplatte vor dem Ausstanzen oder Ausschneiden der ebenen Struktur aus dem elektrisch leitenden Blech zu befestigen.
  • Stromschienen, wie in den 1 und 5 dargestellt, werden normalerweise durch Ausstanzen oder Ausschneiden einer Form aus einem flachen Blech hergestellt und werden dann gebogen, um die Beine, die Füße und die äußeren Kontakte zu bilden. Derartige Strukturen könnten auch durch zusätzliche Herstellungstechniken, beispielsweise durch Gießen oder durch irgendeine andere bekannte Technologie hergestellt sein, welche für diesen Zweck geeignet ist. Die Kompensationsschicht kann fest mit der Hauptplatte der Stromschiene durch Kleben, Löten, Sintern, Hartlöten oder andere bekannte Technologien befestigt werden.
  • Obwohl verschiedene beispielhafte Ausführungsbeispiele gezeigt und beschrieben worden sind, versteht es sich für einen Durchschnittsfachmann, dass verschiedene Änderungen oder Modifikationen in diesen Ausführungsbeispielen gemacht werden können, ohne von den Prinzipien und dem Geist der offenbarten Erfindung abzuweichen, dessen Schutzumfang in den Ansprüchen und ihren Äqualenten definiert ist.
  • Wie hier verwendet, soll ein Element, welches im Singular verwendet ist und welchem das Wort „ein“ vorangestellt ist als nicht den Plural dieser Elemente oder Schritte ausschließen, wenn nicht ein derartiger Ausschluss explizit definiert ist. Des Weiteren soll unter Bezugnahme auf „ein Ausführungsbeispiel“ der vorliegenden Erfindung dies nicht als ein Ausschließen des Vorhandenseins zusätzlicher Ausführungsbeispiele ausgelegt werden, welche ebenfalls die angegebenen Merkmale beinhalten.

Claims (16)

  1. Leitende Stromschiene, welche zur Verwendung in einem Halbleiterleistungsmodul geeignet ist, welche eine Hauptplatte, ein oder mehrere Beine, welche sich von der Hauptplatte erstrecken, und ein oder mehrere Füße aufweist, welche an dem freien Ende der Beine ausgebildet sind, wobei eine Kompensationsschicht fest an einer Seite der Hauptplatte befestigt ist und die Kompensationsschicht einen derartigen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist, dass die Hauptplatte sich bei einer erhöhten Temperatur biegt.
  2. Leitende Stromschiene nach Anspruch 1, bei welcher die Kompensationsschicht an der oberen Seite der Hauptplatte befestigt ist.
  3. Leitende Stromschiene nach Anspruch 1, bei welcher die Kompensationsschicht an der unteren Seite der Hauptplatte befestigt ist.
  4. Leitende Stromschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher die Kompensationsschicht einen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist, welcher höher ist als der thermische Expansionskoeffizient der Hauptplatte.
  5. Leitende Stromschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher die Kompensationsschicht einen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist, welcher niedriger ist als der thermische Expansionskoeffizient der Hauptplatte.
  6. Leitende Stromschiene nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Material und die Dicke der Kompensationsschicht so ausgewählt werden, dass sichergestellt ist, dass das Biegen der Stromschiene unter erhöhter Temperatur zu dem Biegen einer Grundplatte/Substrat-Struktur passt, an welche die Stromschiene angebracht ist oder angebracht werden soll.
  7. Leitende Stromschiene nach Anspruch 4, bei welcher die Kompensationsschicht aus einem Material hergestellt ist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Zinn, Aluminium, Magnesium, Zink, Lithium und Polymeren wie zum Beispiel Nylon besteht.
  8. Leitende Stromschiene nach Anspruch 5, bei welcher die Kompensationsschicht aus einem Material hergestellt ist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, welche Siliziumcarbid (SiC), Wolfram, Al2O3 (Aluminiumoxyd), Glas, Stahl und Nickel besteht.
  9. Leitende Stromschiene nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Hauptplatte der Stromschiene eine Dicke von 0,5 bis 2 mm aufweist und die Stromschiene eine Dicke von 0,1 bis 2 mm aufweist.
  10. Leitende Stromschiene nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Kompensationsschicht eine feste Schicht ist, welche im Wesentlichen eine gesamte Seite der Hauptplatte der Stromschiene bedeckt.
  11. Leitende Stromschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welcher die Kompensationsschicht Streifen aufweist, welche sich entlang der Längsrichtung der Hauptplatte der Stromschiene erstrecken.
  12. Leitende Stromschiene nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Kompensationsschicht an der Hauptplatte mittels Kleben, Löten, Sintern, Hartlöten, Kaltgassprühen, Plasmasprühen, Rollen, DCB-Verarbeiten (eutektisches Bondieren) oder Laminieren befestigt ist.
  13. Leitende Stromschiene nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Beine der Stromschiene sich von einer Seite oder zwei gegenüberliegenden Seiten der Hauptplatte der Stromschiene, insbesondere den zwei Längsseiten, erstrecken.
  14. Stromschienensystem, welches zwei oder mehr Stromschienen nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist, wobei die Stromschienen in dichter Nähe mit einem Luftspalt oder einem Isolierfilm oder einer Schicht zwischen sich angeordnet sind und jede Stromschiene sich in dieselbe Richtung und in demselben Maße bei einer erhöhten Temperatur biegt.
  15. Leistungsmodul mit einer Stromschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder einem Stromschienensystem nach Anspruch 14.
  16. Verfahren zum Herstellen einer leitenden Stromschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 13, welches die Schritte aufweist: Ausstanzen oder Ausschneiden einer ebenen Struktur mit einer Hauptplatte und mit zumindest einem Bein aus einem elektrisch leitenden Blech; Biegen des zumindest einen Beines heraus aus der Ebene der Hauptplatte und Biegen des Endabschnittes des zumindest einen Beines, um einen Fuß zu bilden; und Befestigen einer Kompensationsschicht auf der Hauptplatte, entweder auf der oberen Seite oder der unteren Seite.
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DE102015115464A1 (de) * 2014-09-15 2016-03-17 Kromberg & Schubert Gmbh Stromverteileranordnung

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