DE102021134001A1 - Leistungshalbleitermodul mit einem Substrat, Leistungshalbleiterbauelementen und mit einem Druckkörper - Google Patents

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Harald Kobolla
Ralf Ehler
Simon Hüttmeier
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit einem Substrat, das eine elektrisch nicht leitende Isolationsschicht und eine auf der Isolationsschicht angeordnete zu Leiterbahnen strukturierte Metallschicht aufweist, mit auf der Metallschicht angerordneten und mit der Metallschicht elektrisch leitend kontaktierten Leistungshalbleiterbauelementen, mit einer in Normalenrichtung der Isolationsschicht über dem Substrat angeordneten Druckeinrichtung, die einen Druckkörper und auf das Substrat zu verlaufende Druckelemente aufweist, wobei die Druckelemente jeweilig über ein dem jeweiligen Druckelement zugeordnetes Federelement der Druckeinrichtung mit dem Druckkörper in Normalenrichtung der Isolationsschicht beweglich federnd verbunden sind, wobei der Druckkörper zur Ausübung eines Drucks über die Federelemente auf die Druckelemente in Richtung auf das Substrat zu ausgebildet ist, wobei die Druckelemente derart angeordnet sind, dass diese infolge des vom Druckkörper ausgeübten Drucks auf die Leistungshalbleiterbauelemente umgebende Leistungshalbleiterbauelementumgebungsbereiche des Substrats drücken.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit einem Substrat, Leistungshalbleiterbauelementen, mit einem Druckkörper und mit Federelementen.
  • Aus der DE 10 2017 125 052 A1 ist ein Leistungshalbleitermodul mit einem Substrat, mit auf dem Substrat angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen, mit einem mit den Leistungshalbleiterbauelementen und mit Leiterbahnen des Substrats schaltungsgerecht elektrisch leitend verbundenen Folienstapel, mit einem Druckkörper und mit Federelementen bekannt. Die Federelemente üben einen Druck über den Folienstapel auf eine dem Substrat abgewandte Fläche des jeweiligen Leistungshalbleiterbauelements in Richtung auf das Substrat zu aus. Wenn das Leistungshalbleitermodul mit seinem Substrat auf einer Kühleinrichtung angeordnet ist, werden hierdurch die zu den Leistungshalbleiterbauelementen fluchtend unterhalb der Leistungshalbleiterbauelemente angeordneten Bereiche des Substrats gegen die Kühleinrichtung gedrückt, so dass diese Bereiche und damit die sich im Betrieb des Leistungshalbleitermoduls erwärmenden Leistungshalbleiterbauelemente thermisch besonders gut an die Kühleinrichtung angekoppelt sind und somit besonders gut von der Kühleinrichtung gekühlt werden. Nachteilig dabei ist, dass zur Ausbildung eines solchen Leistungshalbleitermoduls bei dem die Leistungshalbleiterbauelemente sehr effizient von einer Kühleinrichtung gekühlt werden können, es praktisch gesehen notwendig ist einen Folienstapel zur schaltungsgerechten elektrischen Verbindung der Leistungshalbleiterbauelemente zu verwenden, da auf die sonst techniküblich verwendeten Bonddrähte bzw. auf die sonst techniküblich auf der Oberseite der Leistungshalbleiterbauelement angeordneten Bonddrahtverbindungen zur schaltungsgerechten elektrischen Verbindung der Leistungshalbleiterbauelemente kein Druck ausgeübt werden sollte, da dieser sich negativ auf die Lebensdauer der Bonddrahtverbindungen auswirken kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Leistungshalbleitermodul zu schaffen, deren Leistungshalbleiterbauelemente an eine Kühleinrichtung thermisch gut angekoppelt werden können, so dass die Leistungshalbleiterbauelemente von der Kühleinrichtung effizient gekühlt werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Leistungshalbleitermodul mit einem Substrat, das eine elektrisch nicht leitende Isolationsschicht und eine auf der Isolationsschicht angeordnete zu Leiterbahnen strukturierte Metallschicht aufweist, mit auf der Metallschicht angerordneten und mit der Metallschicht elektrisch leitend kontaktierten Leistungshalbleiterbauelementen, mit einer in Normalenrichtung der Isolationsschicht über dem Substrat angeordneten Druckeinrichtung, die einen Druckkörper und auf das Substrat zu verlaufende Druckelemente aufweist, wobei die Druckelemente jeweilig über ein dem jeweiligen Druckelement zugeordnetes Federelement der Druckeinrichtung mit dem Druckkörper in Normalenrichtung der Isolationsschicht beweglich federnd verbunden sind, wobei der Druckkörper zur Ausübung eines Drucks über die Federelemente auf die Druckelemente in Richtung auf das Substrat zu ausgebildet ist, wobei die Druckelemente derart angeordnet sind, dass diese infolge des vom Druckkörper ausgeübten Drucks auf die Leistungshalbleiterbauelemente umgebende Leistungshalbleiterbauelementumgebungsbereiche des Substrats drücken.
  • Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Druckelemente derart angeordnet sind, dass diese infolge des vom Druckkörper ausgeübten Drucks direkt neben den Leistungshalbleiterbauelementen auf das Substrat drücken. Hierdurch sind die Leistungshalbleiterbauelemente, wenn das Leistungshalbleitermodul mit seinem Substrat auf einer Kühleinrichtung angeordnet ist, thermisch besonders gut an die Kühleinrichtung angekoppelt und können somit von der Kühleinrichtung besonders effizient gekühlt werden.
  • Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Druckelemente elektrisch nicht leitend ausgebildet sind. Hierdurch weist das Leistungshalbleitermodul eine hohe elektrische Spannungsfestigkeit auf.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Federelemente als Schichtbereiche einer zwischen dem Drückstück und den Druckelementen angeordneten elastischen Schicht ausgebildet sind. Hierdurch können die Federelemente besonderes rationell hergestellt werden.
  • In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn die elastische Schicht zu den Schichtbereichen strukturiert ausgebildet ist oder einstückig ausgebildet ist. Wenn die die elastische Schicht zu den Schichtbereichen strukturiert ausgebildet ist, dann sind die Federelemente voneinander deutlich getrennt ausgebildet, so dass eine genaue Positionierung der Druckelemente auf den Federelementen erleichtert wird. Wenn die elastische Schicht einstückig ausgebildet ist, dann ist die elastische Schicht besonders einfach ausgebildet.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Druckelemente mit den Schichtbereichen stoffschlüssig, insbesondere mittels einer Klebeverbindung, verbunden sind. Hierdurch sind die Druckelemente besonders zuverlässig mit den Schichtbereichen verbunden.
  • Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Druckelemente über in Normalenrichtung der Isolationsschicht flexibel ausgebildete Stege miteinander verbunden sind. Hierdurch ist bei der Herstellung des Leistungshalbleitermoduls eine rationelle Montage der Druckelemente möglich.
  • In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Rahmenelement mit dem Druckkörper, insbesondere mittels mindestens einer formschlüssigen Verbindung, die insbesondere jeweilig als Schnappverbindung ausgebildet ist, verbunden ist. Hierdurch ist bei der Herstellung des Leistungshalbleitermoduls eine besonders rationelle Montage der Druckelemente möglich.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das jeweilige Druckelement an seinem dem jeweiligen Federelement zugewandten Endbereich einen Druckeinleitungsabschnitt aufweist, wobei der Druckeinleitungsabschnitt einen dem Federelement zugewandten senkrecht zur Normalenrichtung der Isolationsschicht verlaufenden planen Oberflächenbereich oder einen dem Federelement zugewandten konkav verlaufenden Oberflächenbereich aufweist. Hierdurch kann der Druck besonders gut von den Federelementen auf die Druckelemente übertragen werden.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Druckkörper zusammen mit den Federelementen und mit den Druckelementen einstückig ausgebildet ist. Hierdurch ist die Druckeinrichtung besonders rationell herstellbar.
  • In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn mindestens eines der Federelemente mittels mindestens einen in den Druckkörper eingebrachten Schlitzes gebildet ist und/oder dass mindestens eines der Federelemente einen kurvenförmigen Verlauf, insbesondere einen S-förmigen Verlauf, aufweist. Hierdurch sind die Federelemente besonders rationell herstellbar.
  • Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das jeweilige Druckelement einen in Normalenrichtung der Isolationsschicht auf das Substrat zu verlaufenden Fußabschnitt aufweist, wobei der Fußabschnitt einen rechteckförmigen, L-förmigen, bogenförmigen kreisförmigen oder quadratischen Querschnitt aufweist. Hierdurch kann die geometrische Form des jeweiligen Druckelements individuell an die räumliche Anordnung der auf dem Substrat angeordneten Leistungshalbleiterbauelemente angepasst werden.
  • Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Leistungshalbleiterbauelemente mittels Bonddrähten des Leistungshalbleitermodus mit den Leiterbahnen der strukturierten Metallschicht elektrisch leitend verbunden sind, wobei die Bonddrähte insbesondere aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung ausgebildet sind, wobei die Leistungshalbleiterbauelemente zu ihrer Kontaktierung mit den Bonddrähten jeweilig eine, insbesondere als Nickelmetallschicht ausgebildete Metallisierungsmetallschicht aufweisen, wobei der jeweilige Bonddraht mit der jeweiligen Metallisierungsmetallschicht, insbesondere mittels einer Ultraschallschweißverbindung, elektrisch leitend kontaktiert ist.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Leistungshalbleitermodul eine Druckerzeugungseinrichtung aufweist, die zur Erzeugung eines auf den Druckkörper in Richtung auf das Substrat einwirkenden Drucks ausgebildet ist. Hierdurch weist das Leistungshalbleitermodul selber eine Druckerzeugungseinrichtung auf.
  • In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Druckerzeugungseinrichtung den vor ihr erzeugten Druck über mindestens eine zwischen die Druckerzeugungseinrichtung und den Druckkörper angeordnete Feder des Leistungshalbleitermoduls auf den Druckkörper überträgt. Hierdurch wird die Höhe des auf den Druckkörper einwirkenden Drucks begrenzt.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Druckkörper Bestandteil eines ersten Gehäuseelements des Leistungshalbleitermoduls ist. Hierdurch ist das Leistungshalbleitermodul besonders kompakt ausgebildet.
  • In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Leistungshalbleitermodul ein um Substrat umlaufendes mit dem Substrat verbundenes zweites Gehäuseelement aufweist, wobei das erste Gehäuseelement mit dem zweiten Gehäuseelement derart mittels einer formschlüssigen Verbindung, die insbesondere als Schnappverbindung ausgebildet ist, verbunden ist, dass der Druckkörper, wenn das erste Gehäuseelement gegenüber dem zweiten Gehäuseelement eine erste Position aufweist, keinen Druck oder nur einen geringen Druck über die Federelemente auf die Druckelemente in Richtung auf das Substrat zu ausübt, wobei die formschlüssige Verbindung derart ausgebildet ist, dass das erste Gehäuseelement, ausgehend von der ersten Position des ersten Gehäuseelements, in Normalenrichtung der Isolationsschicht auf das Substrat zu in eine zweite Position bewegbar ist, wobei wenn das erste Gehäuseelement gegenüber dem zweiten Gehäuseelement die zweite Position aufweist, der Druckkörper, wenn der Druckkörper bei der ersten Position keinen Druck über die Federelemente auf die Druckelemente in Richtung auf das Substrat zu ausübt, einen Druck über die Federelemente auf die Druckelemente in Richtung auf das Substrat zu ausübt oder, wenn der Druckkörper bei der ersten Position nur einen geringen Druck über die Federelemente auf die Druckelemente in Richtung auf das Substrat zu ausübt, der Druckkörper einen im Vergleich zur ersten Position höheren Druck über die Federelemente auf die Druckelemente in Richtung auf das Substrat zu ausübt. Hierdurch wird eine besonders effiziente Herstellung und Montage des Leistungshalbleitermoduls ermöglicht.
  • Ferner erweist es sich als vorteilhaft, dass wenn das Leistungshalbleitermodul eine Druckerzeugungseinrichtung aufweist, die zur Erzeugung eines auf den Druckkörper in Richtung auf das Substrat einwirkenden Drucks ausgebildet ist, die Druckerzeugungseinrichtung als ein Befestigungsmittel ausgebildet ist, das dazu ausgebildet ist, das Leistungshalbleitermodul auf einer Kühleinrichtung zu befestigen. Hierdurch wird eine besonders effiziente Montage des Leistungshalbleitermoduls auf einer Kühleinrichtung ermöglicht.
  • In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Kühleinrichtung als eine Grundplatte ausbildet ist, die zur Montage an einen Kühlkörper vorgesehen ist, oder als ein Kühlkörper ausgebildet ist.
  • Weiterhin erweist sich eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul und mit einer Kühleinrichtung, wobei der Druckkörper Druck über die Federelemente auf die Druckelemente in Richtung auf das Substrat zu ausübt, so dass das Substrat gegen die Kühleinrichtung gedrückt ist, als vorteilhaft.
  • Es sei angemerkt, dass die im Singular genannten Elemente gegebenenfalls mehrfach vorhanden sein können.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die unten stehenden Figuren erläutert. Dabei zeigen:
    • 1 eine Schnittansicht einer Ausbildung einer Leistungshalbleitereinrichtung mit einer Ausbildung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls und mit einer Kühleinrichtung,
    • 2 eine Ansicht von einem auf einer strukturierten Metallschicht bzw. auf einer Leiterbahn eines Substrats angeordneten Leistungshalbleiterbauelements und von Druckelementen eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls,
    • 3 eine Draufsicht auf ein Rahmenelement, auf Druckelemente und auf Stege eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls,
    • 4 eine Schnittansicht einer Ausbildung eines Druckelements eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls,
    • 5 eine perspektivische Ansicht einer Ausbildung einer Druckeinrichtung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls,
    • 6 eine perspektivische Schnittansicht der Druckeinrichtung gemäß 5,
    • 7 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausbildung einer Druckeinrichtung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls,
    • 8 eine perspektivische Schnittansicht der Druckeinrichtung gemäß 7,
    • 9 Schnittansichten von mehreren Ausbildungen von Fußabschnitten von Druckelementen eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls und
    • 10 eine Schnittansicht einer weiteren Ausbildung einer Leistungshalbleitereinrichtung mit einer weiteren Ausbildung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls und mit einer Kühleinrichtung.
  • In 1 ist eine Leistungshalbleitereinrichtung 30 mit einem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul 1 und mit einer Kühleinrichtung 21 dargestellt. In 2 sind ein auf einer Metallschicht 2b bzw. auf einer Leiterbahn 2b' eines Substrats 2 angeordnetes Leistungshalbleiterbauelement 3 und Druckelemente 7 eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1 dargestellt.
  • Das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul 1 weist ein Substrat 2 auf, das eine elektrisch nicht leitende Isolationsschicht 2a und eine auf der Isolationsschicht 2a angeordnete zu Leiterbahnen 2b' strukturierte Metallschicht 2b aufweist.
  • Das Substrat 2 weist vorzugsweise eine, vorzugsweise unstrukturierte weitere Metallschicht 2c auf, wobei die Isolationsschicht 2a zwischen der Metallschicht 2b und der weiteren Metallschicht 2c angeordnet ist. Die Isolationsschicht 2a kann z.B. als Keramikplatte ausgebildet sein. Das jeweilige Substrat 2 kann z.B. als Direct Copper Bonded Substrat (DCB-Substrat), als Active Metal Brazing Substrat (AMB-Substrat), als ein Substrat aus einem Verbundwerkstoff, zusammengesetzt aus Epoxidharz und Glasfasergewebe, wie FR4 oder als Insulated Metal Substrat (IMS) ausgebildet sein.
  • Das Leistungshalbleitermodul 1 weist weiterhin auf der Metallschicht 2b, genauer ausgedrückt auf den Leiterbahnen 2b', angeordnete und mit der Metallschicht 2b, genauer ausgedrückt mit den Leiterbahnen 2b', elektrisch leitend kontaktierte Leistungshalbleiterbauelemente 3 auf. Die Leistungshalbleiterbauelemente 3 sind dabei vorzugsweise mittels einer zwischen der strukturierten Metallschicht 2b und den Leistungshalbleiterbauelementen 3 angeordneten Lot- oder Sinterschicht 18 mit der strukturierten Metallschicht 2b elektrisch leitend kontaktiert. Das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement 3 liegt im Allgemeinen in Form eines Leistungshalbleiterschalters oder einer Diode vor. Die Leistungshalbleiterschalter liegen dabei im Allgemeinen in Form von Transistoren, wie z.B. IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) oder in Form von Thyristoren vor.
  • Das Leistungshalbleitermodul 1 weist weiterhin eine in Normalenrichtung N der Isolationsschicht 2a über dem Substrat 2 angeordneten Druckeinrichtung 5, die einen Druckkörper 6 und auf das Substrat 2 zu verlaufende Druckelemente 7 aufweist, auf. Die Druckelemente 7 sind vorzugsweise elektrisch nicht leitend ausgebildet. Der Druckkörper 6 kann aus Metall oder aus einem Kunststoff ausgebildet sein. Die Druckelemente 7 sind vorzugsweise aus Kunststoff ausgebildet.
  • Die Druckelemente 7 sind jeweilig über ein dem jeweiligen Druckelement 7 zugeordnetes Federelement 8 der Druckeinrichtung 5 mit dem Druckkörper 6 in Normalenrichtung N der Isolationsschicht 2a beweglich federnd verbunden.
  • Die Federelemente 8 sind im Rahmen des Ausführungsbeispiels gemäß 1 als Schichtbereiche 8a einer zwischen dem Drückkörper 6 und den Druckelementen 7 angeordneten elastischen Schicht 10 ausgebildet. Die elastische Schicht 10 kann zu den Schichtbereichen 8a strukturiert ausgebildet sein, so dass z.B. die Schichtbereiche 8a durch zwischen den Schichtbereichen 8a angeordnete Gräben vollständig voneinander getrennt angeordnet sind oder wie beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 einstückig ausgebildet sind, so dass virtuell getrennte Wirkungsbereiche der elastischen Schicht 10 als Schichtbereiche 8a den Druckelementen 7 zugeordnet sind. In 1 sind die virtuellen Enden 28 der Schichtbereiche 8a gestrichelt gezeichnet, dargestellt. Die elastische Schicht 10 kann z.B. aus einem Elastomer ausgebildet sein. Das Elastomer ist vorzugsweise als Silikon ausgebildet. Das Silikon liegt vorzugsweise in Form eines vernetzten Liquid Silicone Rubbers oder in Form eines vernetzten Solid Silicone Rubbers vor. Die elastische Schicht 10 ist mit dem Druckkörper 6 vorzugsweise stoffschlüssig, insbesondere mittels einer Klebeverbindung, verbunden, was der Übersichtlichkeit halber in 1 und 10 nicht dargestellt ist.
  • Die Druckelemente 7 können mit den Federelementen 8, hier mit den Schichtbereichen 8a stoffschlüssig, insbesondere mittels einer Klebeverbindung, verbunden sein.
  • Das jeweilige Druckelement 7 weist vorzugsweise an seinem dem jeweiligen Federelement 8 zugewandten Endbereich 7a einen Druckeinleitungsabschnitt 7b auf, wobei der Druckeinleitungsabschnitt 7b einen dem Federelement 8 zugewandten senkrecht zur Normalenrichtung N der Isolationsschicht 2a verlaufenden planen Oberflächenbereich 7ba (siehe 1 und 10) oder wie beispielhaft in 4 dargestellt, einen dem Federelement 8 zugewandten konkav verlaufen Oberflächenbereich 7bb aufweist.
  • Die Druckelemente 7 sind vorzugsweise über in Normalenrichtung N der Isolationsschicht 2a flexibel ausgebildete Stege 11 miteinander verbunden.
  • Das Leistungshalbleitermodul 1 weist weiterhin vorzugsweise ein Rahmenelement 12 auf, wobei die Druckelemente 7 über weitere flexible Stege 13 mit dem Rahmenelement 12 verbunden sind. Das Rahmenelement 12 ist vorzugsweise mit dem Druckkörper 6, insbesondere mittels mindestens einer formschlüssigen Verbindung 14, die insbesondere jeweilig als Schnappverbindung ausgebildet ist, verbunden. Das Rahmenelement 12 weist zur Realisierung der jeweiligen Schnappverbindung 14 vorzugsweise einen jeweiligen Schnapphaken 14a auf, der mit dem Druckkörper 6 formschlüssig verbunden ist.
  • Der Druckkörper 6 ist zur Ausübung eines Drucks D1 über die Federelemente 8 auf die Druckelemente 7 in Richtung auf das Substrat 2 zu ausgebildet. Die Druckelemente 7 sind derart angeordnet, dass diese infolge des vom Druckkörper 6 ausgeübten Drucks D1 auf die Leistungshalbleiterbauelemente 3 umgebende Leistungshalbleiterbauelementumgebungsbereiche 9 des Substrats 2 drücken. Die Druckelemente 7 weisen vorzugsweise einen mechanischen Kontakt mit den Leistungshalbleiterbauelementumgebungsbereichen 9 des Substrats 2 auf. Die Druckelemente 7 können mittels einer Klebeverbindung mit dem Substrat 2 verbunden sein.
  • Wenn das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul 1 mit seinem Substrat 2 auf einer Kühleinrichtung 21 angeordnet ist, werden hierdurch, da die Druckelemente 7 auf die Leistungshalbleiterbauelemente 3 umgebende Leistungshalbleiterbauelementumgebungsbereiche 9 des Substrats 2 in Richtung auf das Substrat 2 zu drücken, die zu den Leistungshalbleiterbauelementen 3 fluchtend unterhalb der Leistungshalbleiterbauelemente 3 angeordneten Bereiche des Substrats 2 gegen die Kühleinrichtung 21 gedrückt, so dass diese Bereiche und damit die sich im Betrieb des Leistungshalbleitermoduls 1 erwärmenden Leistungshalbleiterbauelemente 3 thermisch besonders gut an die Kühleinrichtung 21 angekoppelt sind und somit besonders effizient von der Kühleinrichtung 21 gekühlt werden. Da bei dieser Druckeinleitung auf das Substrat, bei der Verwendung von Bonddrähten, auf der Oberseite der Leistungshalbleiterbauelemente angeordnete Bonddrahtverbindungen zur schaltungsgerechten elektrischen Verbindung der Leistungshalbleiterbauelemente kein Druck ausgeübt wird, können bei dieser Druckeinleitung auf das Substrat Bonddrahtverbindungen zur schaltungsgerechten elektrischen Verbindung der Leistungshalbleiterbauelemente verwendet werden, da auf die Bonddrahtverbindungen kein Druck ausgeübt wird, der sich negativ auf die Lebensdauer der Bonddrahtverbindungen auswirken kann. Dadurch, dass einem jeweiligen Druckelement 7 ein jeweiliges Federelement 8 zugeordnet ist, können mittels der Federelemente 8 z.B. unterschiedliche thermische Ausdehnungen der Druckelemente 7, aufgrund im Betrieb des Leistungshalbleitermodul 1 auftretender unterschiedlicher Erwärmung der Druckelemente 7, individuell ausgeglichen werden.
  • Wie beispielhaft in 1 und 2 und 10 dargestellt erstrecket sich der jeweilige Leistungshalbleiterbauelementumgebungsbereich 9, ausgehend von einer Randkante 3a des Leistungshalbleiterbauelements 3 in senkrechter Richtung zur Normalenrichtung N der Isolationsschicht 2a bis zur Außengrenze 9a des Leistungshalbleiterbauelementumgebungsbereichs 9. Der Abstand a von der Randkante 3a des Leistungshalbleiterbauelements 3 bis zur Außengrenze 9a des Leistungshalbleiterbauelementumgebungsbereichs 9 ist vorzugsweise kleiner als 100%, insbesondere vorzugsweise kleiner als 60%, insbesondere vorzugsweise kleiner als 30% des Abstands b von der Randkante 3a des Leistungshalbleiterbauelements 3 bis zu der der Randkante 3a des Leistungshalbleiterbauelements 3 gegenüberliegenden weiteren Randkante 3b des Leistungshalbleiterbauelements 3 (siehe 2).
  • Die Druckelemente 7 sind vorzugsweise derart angeordnet, dass diese infolge des vom Druckkörper 6 ausgeübten Drucks D1 direkt neben den Leistungshalbleiterbauelementen 3 auf das Substrat 2 drücken. Dabei kann zwischen den Druckelementen 7 und den Leistungshalbleiterbauelementen 3 jeweilig ein Spalt 31 vorhanden sein.
  • Vorzugsweise sind, wie beispielhaft in 1 und 2 und 10 dargestellt, dem jeweiligen Leistungshalbleiterbauelement 3 mindestens zwei Druckelemente 7 zugeordnet, wobei diese mindestens zwei Druckelemente 7 derart angeordnet sind, dass diese an zwei zueinander gegenüberliegenden Seiten des Leistungshalbleiterbauelements 3 auf den dem betreffenden Leistungshalbleiterbauelement 3 zugeordneten Leistungshalbleiterbauelementumgebungsbereich 9 des Substrats 2 drücken.
  • Wie beispielhaft in den 5 bis 8 dargestellt, kann der Druckkörper 6 zusammen mit den Federelementen 8 und mit den Druckelementen 7 einstückig ausgebildet sein. In 5 und 6 ist beispielhaft eine einstückig ausgebildete Druckeinrichtung 5 dargestellt, bei der die Federelemente 8 jeweilig mittels mindestens einen in den Druckkörper 6 eingebrachten Schlitzes 15 gebildet sind. Alternativ können die Federelemente 8 auch einen kurvenförmigen Verlauf, insbesondere einen S-förmigen Verlauf, aufweisen Wie beispielhaft in 7 und 8 dargestellt, kann ein Teil der Federelemente 8 jeweilig mittels mindestens einen in den Druckkörper 6 eingebrachten Schlitzes 15 gebildet sein und ein anderer Teil der Federelemente 8 einen kurvenförmigen Verlauf, insbesondere einen S-förmigen Verlauf, aufweisen. Verallgemeinert kann mindestens eines der Federelemente 8 mittels mindestens einen in den Druckkörper 6 eingebrachten Schlitzes 15 gebildet sein und/oder mindestens eines der Federelemente 8 einen kurvenförmigen Verlauf, insbesondere einen S-förmigen Verlauf, aufweisen. Die jeweilige Druckeinrichtung 5 gemäß 5, 6, 7 und 8 kann z.B. aus einem Kunststoff oder einem Kunststoff umspritzen Metallkörper, bei dem beispielsweise der Rahmen 6, die Druckstücke 7 aus Kunststoff und die Federelemente 8 aus einem Metall bestehen, ausgebildet sein.
  • Das jeweilige Druckelement 7 weist vorzugsweise einen in Normalenrichtung N der Isolationsschicht 2a auf das Substrat 2 zu verlaufenden Fußabschnitt 7c auf, wobei der Fußabschnitt 7c, wie beispielhaft in 9 dargestellt, vorzugsweise einen rechteckförmigen, L-förmigen, bogenförmigen kreisförmigen oder quadratischen Querschnitt aufweist.
  • Die Leistungshalbleiterbauelemente 3 sind vorzugsweise mittels Bonddrähten 16 des Leistungshalbleitermodus 1 mit den Leiterbahnen 2b' der strukturierte Metallschicht 2b elektrisch leitend verbunden. Die Bonddrähte 16 sind vorzugsweise aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung ausgebildet sind, wobei die Leistungshalbleiterbauelemente 3 vorzugsweise zu ihrer Kontaktierung mit den Bonddrähten 16 jeweilig eine, insbesondere als Nickelmetallschicht ausgebildete Metallisierungsmetallschicht 17, aufweisen. Der jeweilige Bonddraht 16 ist vorzugsweise mit der jeweiligen Metallisierungsmetallschicht 17, insbesondere mittels einer Ultraschallschweißverbindung, elektrisch leitend kontaktiert.
  • Das Leistungshalbleitermodul 1 weist vorzugsweise eine Druckerzeugungseinrichtung 19, hier eine Schraube auf, die zur Erzeugung eines auf den Druckkörper 6 in Richtung auf das Substrat 2 einwirkenden Drucks D2 ausgebildet ist. Die Druckerzeugungseinrichtung 19 überträgt vorzugsweise den vor ihr erzeugten Druck D2 über mindestens eine zwischen die Druckerzeugungseinrichtung 19 und der Druckkörper 6 angeordnete Feder 20 des Leistungshalbleitermoduls 1 auf den Druckkörper 6.
  • In 10 ist eine Schnittansicht einer weiteren Ausbildung einer Leistungshalbleitereinrichtung 30 mit einer weiteren Ausbildung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1 und mit einer Kühleinrichtung 21 dargestellt. Bei dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1 gemäß 10 ist der Druckkörper 6 Bestandteil eines ersten Gehäuseelements 24 des Leistungshalbleitermoduls 1.
  • Das Leistungshalbleitermodul 1 gemäß 10 weist ein um das Substrat 2 umlaufendes mit dem Substrat 2 verbundenes zweites Gehäuseelement 25 auf. Das erste Gehäuseelement 24 ist mit dem zweiten Gehäuseelement 25 derart mittels einer formschlüssigen Verbindung 26, die insbesondere als Schnappverbindung 26 ausgebildet ist, verbunden, dass der Druckkörper 6, wenn das erste Gehäuseelement 24 gegenüber dem zweiten Gehäuseelement 25 eine erste Position P1 aufweist, keinen Druck D1 oder nur einen geringen Druck D1 über die Federelemente 8 auf die Druckelemente 7 in Richtung auf das Substrat 2 zu ausübt. Die formschlüssige Verbindung 26 ist derart ausgebildet, dass das erste Gehäuseelement 24, ausgehend von der ersten Position P1 des ersten Gehäuseelements 24, in Normalenrichtung N der Isolationsschicht 2a auf das Substrat 2 zu in eine zweite Position P2 bewegbar ist, wobei wenn das erste Gehäuseelement 24 gegenüber dem zweiten Gehäuseelement 25 die zweite Position P2 aufweist, der Druckkörper 6, wenn der Druckkörper 6 bei der ersten Position keinen Druck D1 über die Federelemente 8 auf die Druckelemente 7 in Richtung auf das Substrat 2 zu ausübt, einen Druck D1 über die Federelemente 8 auf die Druckelemente 7 in Richtung auf das Substrat 2 zu ausübt oder, wenn der Druckkörper 6 bei der ersten Position nur einen geringen Druck D1 über die Federelemente 8 auf die Druckelemente 7 in Richtung auf das Substrat 2 zu ausübt, der Druckkörper 6 einen im Vergleich zur ersten Position P1 höheren Druck D1 über die Federelemente 8 auf die Druckelemente 7 in Richtung auf das Substrat 2 zu ausübt.
  • Wenn das Leistungshalbleitermodul 1 mit seinem Substrat 2 auf einer Kühleinrichtung 21 angeordnet ist, werden, wenn das erste Gehäuseelement 24 gegenüber dem zweiten Gehäuseelement 25 die zweite Position P2 aufweist, die Druckelemente 7 mit entsprechendem Druck auf die Leistungshalbleiterbauelemente 3 umgebende Leistungshalbleiterbauelementumgebungsbereiche 9 des Substrats 2 in Richtung auf das Substrat 2 gedrückt, so dass diese Bereiche und damit die sich im Betrieb des Leistungshalbleitermoduls 1 erwärmenden Leistungshalbleiterbauelemente 3 thermisch sehr gut an die Kühleinrichtung 21 angekoppelt sind und somit besonders effizient von der Kühleinrichtung 21 gekühlt werden.
  • Die Druckerzeugungseinrichtung 19 ist, wie beispielhaft in 1 und 10 dargestellt, als ein Befestigungsmittel 19, insbesondere als Schraube 19, ausgebildet, wobei das Befestigungsmittel 19 dazu ausgebildet ist, das Leistungshalbleitermodul 1 auf einer Kühleinrichtung 21 zu befestigen.
  • Der Druckeinrichtung 5 und das Substrat 2 weisen bei der Ausbildung des Leistungshalbleitermoduls 1 gemäß 1 vorzugsweise jeweilig eine Durchgangsöffnung auf, durch die das Befestigungsmittel 19, hier die Schraube 19 verläuft. Bei der Ausbildung des Leistungshalbleitermoduls 1 gemäß 10 weisen das erste und zweite Gehäuseelement 24 und 25 vorzugsweise jeweilig eine Durchgangsöffnung auf, durch die das Befestigungsmittel 19, hier die Schraube 19 verläuft.
  • Die Kühleinrichtung 21 kann als eine Grundplatte ausbildet sein, die zur Montage an einen Kühlkörper vorgesehen ist, oder kann, wie beispielhaft in 1 und 10 dargestellt, als ein Kühlkörper 21 ` ausgebildet sein. Der Kühlkörper 21 weist Kühlfinnen und/oder Kühlpins 22 auf. Der Kühlkörper 21 weist vorzugsweise ein mit einem Innengewinde versehenes Loch auf, in das die Schraube 19 hineingedreht ist.
  • Zur externen elektrischen Anbindung weist das Leistungshalbleitermodul 1 Last- und vorzugsweise Hilfsanschlusselemente auf, die der Übersichtlichkeit halber in 1 und 10 nicht dargestellt sind. Die Lastanschlusselemente sind vorzugsweise, z.B. mittels einer Löt-, Sinter- oder Schweißverbindung, mit der strukturierten Metallschicht 2b elektrisch leitend kontaktiert.
  • Die Leistungshalbleitereinrichtung 30 weist ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul 1 und die Kühleinrichtung 21 auf, wobei der Druckkörper 6 Druck über die Federelemente 8 auf die Druckelemente 7 in Richtung auf das Substrat 2 zu ausübt, so dass das Substrat 2 gegen die Kühleinrichtung 21 gedrückt ist.
  • Zwischen dem Substrat 2 und der die Kühleinrichtung 21 kann eine wärmeleitende Schicht 23, die z.B. aus einer Wärmeleitpaste bestehen kann, angeordnet sein.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102017125052 A1 [0002]

Claims (21)

  1. Leistungshalbleitermodul (1) mit einem Substrat (2), das eine elektrisch nicht leitende Isolationsschicht (2a) und eine auf der Isolationsschicht (2a) angeordnete zu Leiterbahnen (2b') strukturierte Metallschicht (2b) aufweist, mit auf der Metallschicht (2b) angerordneten und mit der Metallschicht (2b) elektrisch leitend kontaktierten Leistungshalbleiterbauelementen (3), mit einer in Normalenrichtung (N) der Isolationsschicht (2a) über dem Substrat (2) angeordneten Druckeinrichtung (5), die einen Druckkörper (6) und auf das Substrat (2) zu verlaufende Druckelemente (7) aufweist, wobei die Druckelemente (7) jeweilig über ein dem jeweiligen Druckelement (7) zugeordnetes Federelement (8) der Druckeinrichtung (5) mit dem Druckkörper (6) in Normalenrichtung (N) der Isolationsschicht (2a) beweglich federnd verbunden sind, wobei der Druckkörper (6) zur Ausübung eines Drucks (D1) über die Federelemente (8) auf die Druckelemente (7) in Richtung auf das Substrat (2) zu ausgebildet ist, wobei die Druckelemente (7) derart angeordnet sind, dass diese infolge des vom Druckkörper (6) ausgeübten Drucks (D1) auf die Leistungshalbleiterbauelemente (3) umgebende Leistungshalbleiterbauelementumgebungsbereiche (9) des Substrats (2) drücken.
  2. Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckelemente (7) derart angeordnet sind, dass diese infolge des vom Druckkörper (6) ausgeübten Drucks (D1) direkt neben den Leistungshalbleiterbauelementen (9) auf das Substrat (2) drücken.
  3. Leistungshalbleitermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckelemente (7) elektrisch nicht leitend ausgebildet sind.
  4. Leistungshalbleitermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (8) als Schichtbereiche (8a) einer zwischen dem Drückkörper (6) und den Druckelementen (7) angeordneten elastischen Schicht (10) ausgebildet sind.
  5. Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Schicht (10) zu den Schichtbereichen (8a) strukturiert ausgebildet ist oder einstückig ausgebildet ist.
  6. Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckelemente (7) mit den Schichtbereichen (8a) stoffschlüssig, insbesondere mittels einer Klebeverbindung, verbunden sind.
  7. Leistungshalbleitermodul (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckelemente (7) über in Normalenrichtung (N) der Isolationsschicht (2a) flexibel ausgebildete Stege (11) miteinander verbunden sind.
  8. Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleitermodul (1) ein Rahmenelement (12) aufweist, wobei die Druckelemente (7) über weitere flexibel ausgebildete Stege (13) mit dem Rahmenelement (12) verbunden sind.
  9. Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rahmenelement (12) mit dem Druckkörper (6), insbesondere mittels mindestens einer formschlüssigen Verbindung (14), die insbesondere jeweilig als Schnappverbindung ausgebildet ist, verbunden ist.
  10. Leistungshalbleitermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Druckelement (7) an seinem dem jeweiligen Federelement (8) zugewandten Endbereich (7a) einen Druckeinleitungsabschnitt (7b) aufweist, wobei der Druckeinleitungsabschnitt (7b) einen dem Federelement (8) zugewandten senkrecht zur Normalenrichtung (N) der Isolationsschicht (2a) verlaufenden planen Oberflächenbereich (7ba) oder einen dem Federelement (8) zugewandten konkav verlaufenden Oberflächenbereich (7bb) aufweist.
  11. Leistungshalbleitermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkörper (6) zusammen mit den Federelementen (8) und mit den Druckelementen (7) einstückig ausgebildet ist.
  12. Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Federelemente (8) mittels mindestens einen in den Druckkörper (6) eingebrachten Schlitzes (15) gebildet ist und/oder dass mindestens eines der Federelemente (8) einen kurvenförmigen Verlauf, insbesondere einen S-förmigen Verlauf, aufweist.
  13. Leistungshalbleitermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Druckelement (7) einen in Normalenrichtung (N) der Isolationsschicht (2a) auf das Substrat (2) zu verlaufenden Fußabschnitt (7c) aufweist, wobei der Fußabschnitt (7c) einen rechteckförmigen, L-förmigen, bogenförmigen kreisförmigen oder quadratischen Querschnitt aufweist.
  14. Leistungshalbleitermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungshalbleiterbauelemente (3) mittels Bonddrähten (16) des Leistungshalbleitermodus (1) mit den Leiterbahnen (2b') der strukturierten Metallschicht (2b) elektrisch leitend verbunden sind, wobei die Bonddrähte (16) insbesondere aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung ausgebildet sind, wobei die Leistungshalbleiterbauelemente (3) zu ihrer Kontaktierung mit den Bonddrähten (16) jeweilig eine, insbesondere als Nickelmetallschicht ausgebildete Metallisierungsmetallschicht (17) aufweisen, wobei der jeweilige Bonddraht (16) mit der jeweiligen Metallisierungsmetallschicht (17), insbesondere mittels einer Ultraschallschweißverbindung, elektrisch leitend kontaktiert ist.
  15. Leistungshalbleitermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleitermodul (1) eine Druckerzeugungseinrichtung (19) aufweist, die zur Erzeugung eines auf den Druckkörper (6) in Richtung auf das Substrat (2) einwirkenden Drucks (D2) ausgebildet ist.
  16. Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerzeugungseinrichtung (19) den vor ihr erzeugten Druck (D2) über mindestens eine zwischen die Druckerzeugungseinrichtung (19) und den Druckkörper (6) angeordnete Feder (20) des Leistungshalbleitermoduls (1) auf den Druckkörper (6) überträgt.
  17. Leistungshalbleitermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkörper (6) Bestandteil eines ersten Gehäuseelements (24) des Leistungshalbleitermoduls (1) ist.
  18. Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleitermodul (1) ein um Substrat (2) umlaufendes mit dem Substrat (2) verbundenes zweites Gehäuseelement (25) aufweist, wobei das erste Gehäuseelement (24) mit dem zweiten Gehäuseelement (25) derart mittels einer formschlüssigen Verbindung (26), die insbesondere als Schnappverbindung (26) ausgebildet ist, verbunden ist, dass der Druckkörper (6), wenn das erste Gehäuseelement (24) gegenüber dem zweiten Gehäuseelement (25) eine erste Position (P1) aufweist, keinen Druck (D1) oder nur einen geringen Druck (D1) über die Federelemente (8) auf die Druckelemente (7) in Richtung auf das Substrat (2) zu ausübt, wobei die formschlüssige Verbindung (26) derart ausgebildet ist, dass das erste Gehäuseelement (24), ausgehend von der ersten Position (P1) des ersten Gehäuseelements (24), in Normalenrichtung (N) der Isolationsschicht (2a) auf das Substrat (2) zu in eine zweite Position (P2) bewegbar ist, wobei wenn das erste Gehäuseelement (24) gegenüber dem zweiten Gehäuseelement (25) die zweite Position (P2) aufweist, der Druckkörper (6), wenn der Druckkörper (6) bei der ersten Position keinen Druck (D1) über die Federelemente (8) auf die Druckelemente (7) in Richtung auf das Substrat (2) zu ausübt, einen Druck (D1) über die Federelemente (8) auf die Druckelemente (7) in Richtung auf das Substrat (2) zu ausübt oder, wenn der Druckkörper (6) bei der ersten Position nur einen geringen Druck (D1) über die Federelemente (8) auf die Druckelemente (7) in Richtung auf das Substrat (2) zu ausübt, der Druckkörper (6) einen im Vergleich zur ersten Position (P1) höheren Druck (D1) über die Federelemente (8) auf die Druckelemente (7) in Richtung auf das Substrat (2) zu ausübt.
  19. Leistungshalbleitermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, soweit diese direkt oder indirekt auf Anspruch 15 zurückbezogen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerzeugungseinrichtung (19) als ein Befestigungsmittel (19) ausgebildet ist, das dazu ausgebildet ist, das Leistungshalbleitermodul (1) auf einer Kühleinrichtung (21) zu befestigen.
  20. Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (21) als eine Grundplatte ausbildet ist, die zur Montage an einen Kühlkörper vorgesehen ist, oder als ein Kühlkörper (21') ausgebildet ist.
  21. Leistungshalbleitereinrichtung (30) mit einem Leistungshalbleitermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einer Kühleinrichtung (21), wobei der Druckkörper (6) Druck über die Federelemente (8) auf die Druckelemente (7) in Richtung auf das Substrat (2) zu ausübt, so dass das Substrat (2) gegen die Kühleinrichtung (21) gedrückt ist.
DE102021134001.2A 2021-12-21 2021-12-21 Leistungshalbleitermodul mit einem Substrat, Leistungshalbleiterbauelementen und mit einem Druckkörper Pending DE102021134001A1 (de)

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