DE102022201215B3 - Halbbrückenmodul mit in Sperrrichtung gepolten Dioden - Google Patents

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Abstract

Ein Halbbrückenmodul (10) umfasst ein Hauptsubstrat (18), das mindestens eine Metallisierungsschicht (22) auf einer Isolationsschicht (20) umfasst; einen ersten Halbleiterschalterchip (12a) und einen zweiten Halbleiterschalterchip (12b); einen ersten Diodenchip (14a) und einen zweiten Diodenchip (14b); und ein Hilfssubstrat (34), wobei der erste Halbleiterschalterchip (12a), der zweite Halbleiterschalterchip (12b), der erste Diodenchip (14a) und der zweite Diodenchip (14b) zwischen dem Hauptsubstrat (18) und dem Hilfssubstrat (34) angeordnet sind. Die Metallisierungsschicht (22) des Hauptsubstrats (18) ist in einen DC+-Bereich (DC+), einen AC-Bereich (AC) und einen DC-Bereich (DC-), die auf der Isolationsschicht (20) elektrisch voneinander getrennt sind, unterteilt; wobei der erste Halbleiterschalterchip (12a) mit der Positivanschlussseite (46+) an den DC+-Bereich (DC+) gebondet ist; wobei der erste Diodenchip (14a) mit der Anodenseite (48+) an den AC-Bereich (AC) gebondet ist; wobei der zweite Halbleiterschalterchip (12b) mit der Positivanschlussseite (46+) an den AC-Bereich (AC) gebondet ist; wobei der zweite Diodenchip (14b) mit der Anodenseite (48+) an den DC-Bereich (DC-) gebondet ist; und wobei der erste Halbleiterschalterchip (12a) und der zweite Halbleiterschalterchip (12b) mit ihren Negativanschlussseiten (46-) an das Hilfssubstrat (34) gebondet sind und der erste Diodenchip (14a) und der zweite Diodenchip (14b) mit ihren Kathodenseiten (48-) an das Hilfssubstrat (34) gebondet sind, das den ersten Halbleiterschalterchip (12a), den zweiten Halbleiterschalterchip (12b), den ersten Diodenchip (14a) und den zweiten Diodenchip (14b) zu einer Halbbrücke verbindet.

Description

  • In Kraftfahrzeuganwendungen mit elektrischen Antrieben, wie beispielsweise Elektroautos und Elektro-LKWs, werden Halbbrückenmodule zur Montage von Wechselrichtern verwendet. Solche Wechselrichter können den zum Antrieb eines Elektromotors erforderlichen Wechselstrom aus einem Gleichstrom erzeugen, der durch eine elektrische Batterie bereitgestellt werden kann. Momentan umfassen solche Halbbrückenmodule Si-Halbleiter. Aufgrund ihrer höheren Betriebsspannungen und der möglichen höheren Schaltfrequenzen, die zu geringeren Verlusten und einer effizienteren Anwendung der Halbbrückenmodule führen können, kommt auch in Betracht, Halbleiter mit großer Bandlücke zu verwenden. Solche Leistungshalbleitermodule, die auf Halbleitern mit großer Bandlücke basieren, können von neuen Modulauslegungen zur Reduzierung von elektromagnetischer Strahlung und elektromagnetischen Verlusten und zur Verbesserung von lokalem Kühlvermögen profitieren.
  • DE 10 2015 219 852 A1 offenbart ein Leistungsmodul mit zweiseitiger Kühlung. Dieses kann enthalten: einen Anschluss am unteren Ende, mindestens ein Paar Leistungs-Halbleiterchips, die am Anschluss am unteren Ende installiert sind, mindestens ein Paar waagrechter Abstandshalter, die an dem mindestens einen Paar Leistungs-Halbleiterchips angebracht sind, einen Anschluss am oberen Ende, der an dem mindestens einen Paar senkrechter Abstandshalter, die zwischen dem Anschluss am oberen Ende und dem Anschluss am unteren Ende angeordnet sind.
  • Daher besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Halbbrückenmoduls, das die oben genannten Probleme vermindert. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen angeführt.
  • Die Erfindung betrifft ein Halbbrückenmodul. Das Halbbrückenmodul ist allgemein ein Leistungshalbleitermodul, das eine Vorrichtung zum mechanischen und elektrischen Miteinanderverbinden von Halbleiterchips ist. Hier und im Folgenden bezieht sich der Begriff „Leistungs...“ auf Vorrichtungen und Elemente, die zur Verarbeitung von Spannungen von mehr als 100 V und/oder mehr als 10 A ausgeführt sind. Die Halbleiterchips in dem Halbbrückenmodul sind unter Bildung einer Halbbrücke, d. h. zwei in Reihe verbundene Halbleiterschalterchips und ein antiparallel mit jedem Halbleiterschalterchip verbundener Freilaufdiodenchip, miteinander verbunden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Halbbrückenmodul ein Hauptsubstrat, das mindestens eine Metallisierungsschicht auf einer Isolationsschicht umfasst. Es ist möglich, dass eine weitere Metallisierungsschicht gegenüber der (ersten) Metallisierungsschicht auf der Isolationsschicht vorgesehen ist.
  • Das Hauptsubstrat kann ein DBC-Substrat (DBC - Direct Bonded Copper), d. h. ein oder zwei Kupferschichten auf einer Keramikschicht, sein. Das Hauptsubstrat kann ein IMS-Substrat (IMS - Insulated Metal Substrate) mit einer elektrisch isolierenden Schicht, die aus einem mit Keramikpartikeln gefüllten Polymer hergestellt ist, sein. Die eine oder mehreren Metallisierungsschichten können aus Metall, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium, hergestellt sein. Die elektrisch isolierende Schicht kann aus Kunststoff und/oder Keramik hergestellt sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Halbbrückenmodul einen ersten Halbleiterschalterchip und einen zweiten Halbleiterschalterchip. Jeder Halbleiterschalterchip umfasst einen positiven Anschluss auf einer Positivanschlussseite und einen negativen Anschluss auf einer Negativanschlussseite gegenüber der Positivanschlussseite, der zum Schalten eines Stroms von dem positiven Anschluss zu dem negativen Anschluss ausgeführt ist. Jeder Halbleiterschalterchip kann auch einen Steuerchip zum Steuern des Widerstands des Pfads zwischen dem positiven und negativen Anschluss umfassen.
  • Solche Halbleiterschalterchips (sowie der nachfolgend beschriebene Diodenchip) können ein Kunststoffgehäuse aufweisen, das ein aus einem Halbleitermaterial hergestelltes Die umschließt, welches die Funktionalität des Chips bereitstellt. Die Halbleiterschalterchips können Transistoren oder Thyristoren bereitstellen und/oder sein. Der positive Anschluss, der negative Anschluss und der Steueranschluss können als Elektroden an dem Gehäuse des Chips vorgesehen sein.
  • Jeder der Halbleiterschalterchips kann gegebenenfalls einen bipolaren Transistor, insbesondere einen bipolaren n-Kanal-Transistor, zum Beispiel einen IGBT, bereitstellen. In diesem Fall ist der positive Anschluss der Kollektor, der negative Anschluss der Emitter und der Steueranschluss die Basis. Jeder der Halbleiterschalterchips kann gegebenenfalls auch einen Feldeffekttransistor, zum Beispiel einen MOSFET, bereitstellen. In diesem Fall ist der positive Anschluss der Drain, der negative Anschluss die Source und der Steueranschluss das Gate.
  • Als weiteres Beispiel stellt jeder der Halbleiterschalterchips einen Thyristor bereit. In diesem Fall ist der positive Anschluss die Anode, der negative Anschluss die Kathode und der Steueranschluss das Gate.
  • Die Halbleiterschalterchips können auf einem Halbleiter mit großer Bandlücke basieren, und/oder die entsprechenden Dies können aus einem Material mit gro-ßer Bandlücke hergestellt sein. Zum Beispiel basieren die Halbleiterschalterchips auf GaN (Galliumnitrid) oder SiC (Siliciumcarbid). Solche Halbleiterschalterchips gestatten höhere Schaltfrequenzen und/oder höhere Betriebsspannungen. Es ist jedoch auch möglich, dass die Halbleiterschalterchips allein auf Silicium basieren.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Halbbrückenmodul einen ersten Diodenchip und einen zweiten Diodenchip, wobei jeder Diodenchip eine Anode auf einer Anodenseite und eine Kathode auf einer Kathodenseite gegenüber der Anodenseite, die zum Sperren eines Stroms von der Kathode zu der Anode ausgeführt ist, umfasst. Im Falle einer Diode kann die Anode mit einer positiven Seite gekennzeichnet werden, und die Kathode kann mit einer negativen Seite gekennzeichnet werden.
  • Die Diodenchips können auf einem Halbleiter mit großer Bandlücke basieren, und/oder die entsprechenden Dies können aus einem Material mit großer Bandlücke hergestellt sein, wie vorstehend erwähnt. Insbesondere umfasst der erste und/oder der zweite Diodenchip eine Galliumoxiddiode. Eine Galliumoxiddiode (zum Beispiel eine β-Ga203-Diode) weist geringe Verluste auf und ist besser als eine Siliciumdiode zur Verarbeitung von hohen Frequenzen ausgeführt. Die Diode kann eine Schottky-Diode sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Halbbrückenmodul ein Hilfssubstrat, wobei der erste Halbleiterschalterchip, der zweite Halbleiterschalterchip, der erste Diodenchip und der zweite Diodenchip zwischen dem Hauptsubstrat und dem Hilfssubstrat angeordnet sind. Das Hilfssubstrat kann ein Direct-Bonded-Copper-Substrat oder eine Leiterplatte sein. Im Falle einer Leiterplatte kann das Hilfssubstrat eine oder zwei Metallisierungsschichten aufweisen, die durch eine Kunststoffschicht getrennt sind. Das Hauptsubstrat kann auch eine Leiterplatte sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Metallisierungsschicht des Hauptsubstrats in einen DC+-Bereich, einen AC-Bereich und einen DC-Bereich, die auf der Isolationsschicht elektrisch voneinander getrennt sind, unterteilt. Der erste Halbleiterschalterchip ist mit der Positivanschlussseite an den DC+-Bereich gebondet. Der erste Diodenchip ist mit der Anodenseite an den AC-Bereich gebondet. Auch der zweite Halbleiterschalterchip ist mit der Positivanschlussseite an den AC-Bereich gebondet. Der zweite Diodenchip ist mit der Anodenseite an den DC--Bereich gebondet. Des Weiteren sind der erste Halbleiterschalterchip und der zweite Halbleiterschalterchip mit ihren Negativanschlussseiten an das Hilfssubstrat gebondet. Der erste Diodenchip und der zweite Diodenchip sind mit ihren Kathodenseiten an das Hilfssubstrat gebondet. Das Hilfssubstrat ist so ausgeführt, dass es den ersten Halbleiterschalterchip, den zweiten Halbleiterschalterchip, den ersten Diodenchip und den zweiten Diodenchip elektrisch zu einer Halbbrücke verbindet. Hier und im Folgenden kann sich Bonden auf einen Prozess zum elektrischen und mechanischen Verbinden von zwei metallischen Elementen beziehen, wie beispielsweise Löten, Schweißen und Sintern.
  • Der erste Halbleiterschalterchip und der erste Diodenchip sind nebeneinander in der gleichen Leitungsrichtung angeordnet und sind durch die beiden Substrate (das Hauptsubstrat und das Hilfssubstrat) miteinander antiparallel elektrisch verbunden. Das Gleiche gilt für den zweiten Halbleiterschalterchip und den zweiten Diodenchip.
  • Der erste Halbleiterschalterchip und der erste Diodenchip sind zwischen den beiden Substraten angeordnet, die strukturierte Metallisierungsschichten aufweisen und die elektrisch miteinander verbunden sind, um die antiparallele Verbindung der beiden Chips zu erzeugen. Insbesondere gibt es getrennte Metallmuster und/oder -bereiche zwischen dem ersten Halbleiterschalterchip und dem ersten Diodenchip. Das Gleiche gilt für den zweiten Halbleiterschalterchip und den zweiten Diodenchip.
  • Der erste Diodenchip und der zweite Diodenchip sind mit ihrer Anodenseite an dem Hauptsubstrat angebracht, das eine Wärmesenke auf seiner gegenüberliegenden Seite aufweisen kann, so dass die Anodenseite des ersten Diodenchips besser gekühlt ist als die Kathodenseite. In der Regel befindet sich die Wärmeerzeugungsschicht in einer Diode mehr auf der Anodenseite als auf der Kathodenseite.
  • Diese Anordnung weist den Vorteil auf, dass die Anodenseiten der Diodenchips besser gekühlt sind als die Kathodenseiten. Insbesondere ist bei einer Galliumoxiddiode und anderen Materialien mit großer Bandlücke die Wärmeleitung bis zu einem Faktor von 1/10 schlechter als bei Silicium, und der Großteil der Erwärmung innerhalb der Diode erfolgt nahe der Anodenschicht und/oder Anodenseite. Der Abstand der Erwärmungsschicht in den Diodenchips zu der Anodenseite kann ca. 2 µm bis 10 µm betragen, während der Abstand zu der Kathodenseite ca. 70 µm bis 500 µm betragen kann. Somit führt das Kühlen der Anodenseite zu einer effektiveren Wärmeübertragung.
  • Das Montieren einer vollständigen Halbbrücke in ein Modul weist die Vorteile eines kompakteren Designs des Moduls und von kürzeren Stromschleifen auf, was Streuinduktivitäten reduzieren kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind der erste Halbleiterschalterchip und der erste Diodenchip in einer ersten Reihe für den oberen Teil der Halbbrücke angeordnet. Die erste Reihe verläuft entlang einer Richtung parallel zu der Erstreckungsrichtung des Hauptsubstrats und des Hilfssubstrats. Ferner sind der zweite Halbleiterschalterchip und der zweite Diodenchip in einer zweiten Reihe für den unteren Teil der Halbbrücke angeordnet, wobei diese zweite Reihe neben der ersten Reihe und in einer entgegengesetzten Richtung zu der ersten Reihe verläuft. Auf solch eine Weise können der DC+-Bereich und der DC--Bereich auf einer Seite des Halbbrückenmoduls angeordnet sein. Dies gestattet ein kompaktes Design des Halbbrückenmoduls.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind der DC+-Bereich und der DC- -Bereich auf einer Anschlussseite des Halbbrückenmoduls angeordnet. Dort können auch Anschlüsse zum Verbinden des Halbbrückenmoduls mit weiteren Komponenten verbunden sein. Anschlüsse auf der gleichen Seite können zu kleineren Stromschleifen und geringeren Streuinduktivitäten führen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der AC-Bereich auf einer weiteren Seite des Halbbrückenmoduls gegenüber der Anschlussseite angeordnet. Der AC-Bereich kann neben dem DC+-Bereich und dem DC-- Bereich angeordnet sein. Der DC+-Bereich, der DC--Bereich und der AC- Bereich können ein Muster auf dem Hauptsubstrat bilden, wobei sich der DC+-Bereich in der oberen linken Ecke befindet, sich der DC--Bereich in der unteren linken Ecke befindet und der AC-Bereich die obere und untere rechte Ecke einnimmt.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der AC-Bereich L-förmig. Eine Ecke des DC+-Bereichs kann von dem AC-Bereich umgeben sein. DerDC--Bereich ist neben einem Arm des L-förmigen AC-Bereichs angeordnet. Der DC+-Bereich kann größer als der DC--Bereich sein, da ein Halbleiterschalterchip mehr Bereiche als ein Diodenchip einnehmen kann. Der AC-Bereich kann im Wesentlichen die gleiche Fläche wie die Summe des DC+-Bereichs und des DC--Bereichs einnehmen. Ein L-förmiger AC- Bereich kann zu einem kompakten Design führen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind der erste Halbleiterschalterchip auf dem DC+-Bereich, der erste Diodenchip und der zweite Halbleiterschalterchip auf dem AC-Bereich und der zweite Diodenchip auf dem DC--Bereich in dieser Reihenfolge auf einer Schleife um eine Mitte des Halbbrückenmoduls angeordnet, so dass ein Hauptstrom um diese Schleife fließt. Auf solch eine Weise kann die Hauptstromschleife durch das Halbbrückenmodul im Wesentlichen auf das Innere eines Gehäuses des Halbbrückenmoduls reduziert werden und hängt nicht wesentlich von einem Design der mit dem Halbbrückenmodul verbundenen Leiter ab.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Hilfssubstrat eine erste Metallisierungsschicht, eine zweite Metallisierungsschicht und eine Isolationsschicht dazwischen. Wie bereits erwähnt wurde, kann das Hilfssubstrat ein DBC oder eine PCB sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind der erste Halbleiterschalterchip, der zweite Halbleiterschalterchip, der erste Diodenchip und der zweite Diodenchip an die erste Metallisierungsschicht gebondet und sind über die zweite Metallisierungsschicht elektrisch verbunden. Die erste Metallisierungsschicht und die zweite Metallisierungsschicht sind strukturiert und elektrisch miteinander und mit der Metallisierungsschicht des Hauptsubstrats verbunden, so dass zusammen mit den vier Chips eine Halbbrücke gebildet wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die erste Metallisierungsschicht zu einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich für eine Oberseite der Halbbrücke und einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich für eine Unterseite der Halbbrücke strukturiert. Jeder dieser Bereiche kann in einer anderen Ecke des Halbbrückenmoduls angeordnet sein. Jeder dieser Bereiche kann über einem der vier Chips, d. h. dem ersten Halbleiterschalterchip, dem zweiten Halbleiterschalterchip, dem ersten Diodenchip und dem zweiten Diodenchip, angeordnet sein.
  • Der erste Halbleiterschalterchip ist mit der Negativanschlussseite an den ersten Bereich für die Oberseite gebondet. Der erste Diodenchip ist mit der Kathodenseite an den zweiten Bereich für die Oberseite gebondet. Der zweite Halbleiterschalterchip ist mit der Negativanschlussseite an den ersten Bereich für die Unterseite gebondet. Der zweite Diodenchip ist mit der Kathodenseite an den zweiten Bereich für die Unterseite gebondet. Auf solch eine Weise sind die Halbleiterschalterchips und die Diodenchips in der gleichen Leitungsrichtung zu dem Halbbrückenmodul montiert. Der erste Halbleiterschalterchip und der erste Diodenchip (sowie der zweite Halbleiterschalterchip und der zweite Diodenchip) sind jedoch elektrisch antiparallel und/oder in Sperrrichtung elektrisch miteinander verbunden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der DC+-Bereich über einen ersten Stift zwischen dem Hauptsubstrat und dem Hilfssubstrat mit dem zweiten Bereich für die Oberseite elektrisch verbunden. Ferner kann der AC- Bereich über einen zweiten Stift zwischen dem Hauptsubstrat und dem Hilfssubstrat mit dem zweiten Bereich für die Unterseite elektrisch verbunden sein. Solche elektrisch leitenden Stifte können durch einen oder mehrere Pins bereitgestellt werden, die durch das Hilfssubstrat in Form einer Leiterplatte bereitgestellt werden. Ferner können solche Stifte mit jedem Ende an die jeweilige Metallisierungsschicht gebondet sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung überlappen sich der DC+- Bereich und der zweite Bereich für die Oberseite mit Blickrichtung in einer orthogonal zu dem Hauptsubstrat und dem Hilfssubstrat verlaufenden Richtung. Ferner überlappen sich der AC-Bereich und der zweite Bereich für die Unterseite mit Blickrichtung in einer orthogonal zu dem Hauptsubstrat und dem Hilfssubstrat verlaufenden Richtung. Sowohl das Hauptsubstrat als auch das Hilfssubstrat definieren eine Ebene, die im Wesentlichen parallel zueinander verläuft. Die Blickrichtung ist im Wesentlichen orthogonal zu diesen Ebenen. Auf solch eine Weise können zwischen dem Hauptsubstrat und dem Hilfssubstrat zylindrische Pins und/oder Stifte angeordnet werden, um die jeweiligen Bereiche elektrisch zu verbinden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Metallisierungsschicht zu einem Oberseitenbereich und einem Unterseitenbereich strukturiert.
  • Der Begriff „strukturiert“ kann sich hier darauf beziehen, dass die jeweiligen Bereiche auf der Isolationsschicht, auf der sie befestigt sind, elektrisch voneinander getrennt sind.
  • Der erste Bereich für die Oberseite der ersten Metallisierungsschicht ist mit dem Oberseitenbereich der zweiten Metallisierungsschicht elektrisch verbunden. Dies kann mit Durchkontaktierungen erfolgen. Der Oberseitenbereich ist über einen dritten Stift zwischen dem Hauptsubstrat und dem Hilfssubstrat mit dem AC-Bereich elektrisch verbunden. Eine Durchkontaktierung kann ein elektrisch leitendes Element sein, das durch eine Isolationsschicht zwischen den Metallisierungsschichten hindurchreicht. Insbesondere können solche Durchkontaktierungen bei einer Leiterplatte leicht hergestellt werden. Solch ein elektrisch leitender Stift kann wieder an die jeweiligen Metallisierungsschichten gebondet sein.
  • Das gleiche gilt für den ersten Bereich für die Unterseite: der erste Bereich für die Unterseite der ersten Metallisierungsschicht ist mit dem Unterseitenbereich der zweiten Metallisierungsschicht elektrisch verbunden. Dies kann mit Durchkontaktierungen erfolgen. Der Unterseitenbereich ist über einen vierten Stift zwischen dem Hauptsubstrat und dem Hilfssubstrat mit dem DC-Bereich elektrisch verbunden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Halbbrückenmodul ferner eine Wärmesenke, die mit dem Hauptsubstrat gegenüber dem ersten und zweiten Halbleiterschalterchip und dem ersten und zweiten Diodenchip verbunden ist. Die Wärmesenke kann an eine Metallisierungsschicht des Hauptsubstrats gegenüber der Metallisierungsschicht, an die die Halbleiterschalterchips und die Diodenchips gebondet sind, gebondet oder auf andere Weise daran befestigt sein. Zum Beispiel kann die Wärmesenke eine luftgekühlte Wärmesenke oder eine flüssigkeitsgekühlte Wärmesenke sein.
  • Diese und weitere Aspekte der Erfindung werden mit Bezug auf die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen ersichtlich und erläutert. Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen detaillierter beschrieben.
    • 1 zeigt ein Schaltschema eines Halbbrückenmoduls gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
    • 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Halbbrückenmoduls gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
    • 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
    • 4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und ihre Bedeutungen sind in zusammenfassender Form in der nachfolgenden Liste der Bezugszeichen aufgeführt. Grundsätzlich sind in den Figuren identische Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt ein Schaltschema eines Halbbrückenmoduls 10, das zwei Halbleiterschalterchips 12a, 12b umfasst, die elektrisch in Reihe verbunden sind. Ein Freilaufdiodenchip 14a, 14b ist antiparallel mit jedem Halbleiterschalterchip 12a, 12b verbunden. Jeder Halbleiterschalterchip 12a, 12b umfasst einen positiven Anschluss T+, einen negativen Anschluss T- und einen Steueranschluss 16. Jeder Diodenchip 14a, 14b umfasst eine Anode D+ und eine Kathode D-.
  • Der positive Anschluss T+ des ersten Halbleiterschalterchips 12a und die Kathode D- des ersten Diodenchips 14a sind miteinander verbunden und sind mit dem DC+-Anschluss 17+ des Halbbrückenmoduls 10 verbunden. Der negative Anschluss T- des zweiten Halbleiterschalterchips 12b und die Anode D+ des zweiten Diodenchips 14b sind miteinander verbunden und sind mit dem DC--Anschluss 17- des Halbbrückenmoduls 10 verbunden.
  • Der negative Anschluss T- des ersten Halbleiterschalterchips 12a, die Anode D+ des ersten Diodenchips 14a, der positive Anschluss T+ des zweiten Halbleiterschalterchips 12b und die Kathode D- des zweiten Diodenchips 14b sind miteinander verbunden und sind mit dem AC-Anschluss des Halbbrückenmoduls 10 verbunden.
  • Die Diodenchips 14a, 14b können eine Galliumoxiddiode bereitstellen, die insbesondere aus β-Ga203 hergestellt ist, und/oder können eine Schottky- Diode sein.
  • Die Halbleiterschalterchips 12a, 12b können einen bipolaren Transistor, wie beispielsweise einen IGBT, einen Feldeffekttransistor, wie beispielsweise einen MOSFET, oder einen Thyristor bereitstellen. Die Halbleiterschalterchips 12a, 12b können auch aus einem Material mit großer Bandlücke hergestellt sein.
  • 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Halbbrückenmoduls 10 entlang einer ersten Ebene parallel zu der Erstreckungsrichtung des Hauptsubstrats 18. 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Halbbrückenmoduls 10 von 2 entlang einer zweiten Ebene über der ersten Ebene. 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Halbbrückenmoduls 10 orthogonal zu der ersten und zweiten Ebene durch den Halbleiterschalterchip 12a (oder 12b) und den Diodenchip 14a (oder 14b). Es sei darauf hingewiesen, dass 3 als einen Querschnitt durch 12a und 14a oder einen Querschnitt durch 12b und 14b in der entgegengesetzten Richtung gesehen werden kann.
  • Die Halbleiterschalterchips 12a, 12b und die Diodenchips 14a, 14b sind an ein Hauptsubstrat 18 gebondet. Das Hauptsubstrat 18 wird durch eine Isolationsschicht 20 gebildet, die zwischen zwei Metallisierungsschichten 22, 24 angeordnet ist (siehe 3). Das Hauptsubstrat 18 kann eine Leiterplatte, ein IMS (Insulated Metal Substrate) oder ein DBC(Direct Bonded Copper)-Substrat sein. Das Hauptsubstrat 18 kann gegebenenfalls auch mehr als drei Schichten umfassen.
  • Die Halbleiterschalterchips 12a, 12b und die Diodenchips 14a, 14b sind an die Metallisierungsschicht 22 gebondet. Die Metallisierungsschicht 22 ist strukturiert und ist in einen DC+-Bereich (DC+), der mit dem DC+-Anschluss 17+ verbunden ist, einen AC-Bereich (AC), und einen DC--Bereich (DC-), der mit dem DC--Anschluss 17- verbunden ist, unterteilt. Der Halbleiterschalterchip 12a ist an den DC+-Bereich gebondet, der Diodenchip 14a und der Halbleiterschalterchip 12b sind an den AC-Bereich gebondet, und der Diodenchip 14b ist an den DC--Bereich gebondet.
  • Das Halbbrückenmodul 10 ist in zwei Teile 26a, 26b unterteilt. Der obere oder erste Teil 26a stellt einen oberen Teil der Halbbrücke bereit und der untere oder zweite Teil 26b stellt einen unteren Teil der Halbbrücke bereit. Der erste Halbleiterschalterchip 12a und der erste Diodenchip 14a sind in einer ersten Reihe für den oberen Teil 26a der Halbbrücke angeordnet. Der zweite Halbleiterschalterchip 12b und der zweite Diodenchip 14b sind in einer zweiten Reihe für die untere Hälfte 26b der Halbbrücke angeordnet, wobei die zweite Reihe neben der ersten Reihe und in einer entgegengesetzten Richtung zu der ersten Reihe verläuft. Beide Reihen sind im Wesentlichen parallel.
  • Der DC+-Bereich und der DC--Bereich sind auf einer Anschlussseite 28a des Halbbrückenmoduls 10 angeordnet. Der AC-Bereich ist auf einer weiteren, zweiten Seite 28b des Halbbrückenmoduls 10 gegenüber der Anschlussseite 28a angeordnet. Der AC-Bereich AC ist neben dem DC+- Bereich und dem DC--Bereich angeordnet, die in einer im Wesentlichen orthogonal zu der ersten Reihe und der zweiten Reihe verlaufenden Richtung angeordnet sind. Der AC-Bereich ist L-förmig, wobei eine Ecke des DC+-Bereichs von dem AC-Bereich umgeben ist. Der DC--Bereich DC- ist neben einem Arm des L-förmigen AC-Bereichs angeordnet.
  • Der erste Halbleiterschalterchip 12a in dem DC+-Bereich, der erste Diodenchip 14a und der zweite Halbleiterschalterchip 14b in dem AC- Bereich und der zweite Diodenchip 14b in dem DC--Bereich sind in dieser Reihenfolge auf einer Schleife um eine Mitte des Halbbrückenmoduls 10 angeordnet, so dass ein Hauptstrom um diese Schleife fließt. Solch ein Hauptstrom fließt von dem DC+-Anschluss 17+ zu dem DC--Anschluss 17-.
  • Wie in 2 gezeigt ist, kann ein Kondensator 29 mit dem DC+-Anschluss 17+ und dem DC--Anschluss 17- auf der Anschlussseite 28a verbunden sein. Da sich beide Anschlüsse 17+ und 17- auf der gleichen Seite 28a befinden, kann ein Kondensator 29 mit Anschlüssen auf der gleichen Seite verwendet werden, und/oder die Stromschleife, in der der Kondensator 29 enthalten ist, kann kleiner ausgelegt sein.
  • Das Halbbrückenmodul 10 umfasst ferner ein Hilfssubstrat 34, das aus zwei Metallisierungsschichten 36, 38 und einer zwischen den Metallisierungsschichten 36, 38 angeordneten Isolationsschicht 40 gebildet ist. Das Hilfssubstrat 34 kann ein DBC-Substrat (DBC - Direct Bonded Copper), oder eine PCB (Printed Circuit Board, Leiterplatte) sein. Der Halbleiterschalterchip 12a, 12b und der Diodenchip 14a, 14b sind zwischen dem Hauptsubstrat 18 und dem Hilfssubstrat 34 angeordnet.
  • Wie in 4 gezeigt ist, umfassen die Halbleiterschalterchips 12a, 12b den positiven Anschluss T+ auf einer Positivanschlussseite 46+ und den negativen Anschluss T- auf einer Negativanschlussseite 46- gegenüber der Positivanschlussseite 46+. Die Diodenchips 14a, 14b umfassen die Anode D+ auf einer Anodenseite 48+ und die Kathode D- auf einer Kathodenseite 48- gegenüber der Anodenseite 48+.
  • Der erste Halbleiterschalterchip 12a, der zweite Halbleiterschalterchip 12b, der erste Diodenchip 14a und der zweite Diodenchip 14b sind an die erste Metallisierungsschicht 36 gebondet und über die zweite Metallisierungsschicht 38 elektrisch verbunden.
  • Die erste Metallisierungsschicht 36 ist in einen ersten Bereich 30a und einen zweiten Bereich 30b für eine Oberseite der Halbbrücke und einen ersten Bereich 32a und einen zweiten Bereich 32b für eine Unterseite der Halbbrücke strukturiert. Der erste Halbleiterschalterchip 12a ist mit der Negativanschlussseite 46-an den ersten Bereich 30a für die Oberseite gebondet. Der erste Diodenchip 14a ist mit der Kathodenseite 48- an den zweiten Bereich 30b für die Oberseite gebondet. Der zweite Halbleiterschalterchip 12b ist mit der Negativanschlussseite 46- an den ersten Bereich 32a für die Unterseite gebondet. Der zweite Diodenchip 14b ist mit der Kathodenseite 48- an den zweiten Bereich 32b für die Unterseite gebondet.
  • Ferner ist der DC+-Bereich über einen ersten Stift 42a zwischen dem Hauptsubstrat 18 und dem Hilfssubstrat 34 mit dem zweiten Bereich 30b für die Oberseite elektrisch verbunden. Der AC-Bereich ist über einen zweiten Stift 42b zwischen dem Hauptsubstrat 18 und dem Hilfssubstrat 34 mit dem zweiten Bereich 32b für die Unterseite elektrisch verbunden.
  • Die zweite Metallisierungsschicht 38 ist in einen Oberseitenbereich 44a und einen Unterseitenbereich 44b strukturiert. Der erste Bereich 30a für die Oberseite der ersten Metallisierungsschicht 36 ist zum Beispiel mit Durchkontaktierungen 50 durch die Isolationsschicht 40 des Hilfssubstrats 34 mit dem Oberseitenbereich 44a der zweiten Metallisierungsschicht 38 elektrisch verbunden. Der Oberseitenbereich 44a ist über einen dritten Stift 46c zwischen dem Hauptsubstrat 18 und dem Hilfssubstrat 34 mit dem AC- Bereich AC elektrisch verbunden.
  • Der erste Bereich 32a für die Unterseite der ersten Metallisierungsschicht 36 ist zum Beispiel mit Durchkontaktierungen 50 durch die Isolationsschicht 40 des Hilfssubstrats 34 mit dem Unterseitenbereich 44b der zweiten Metallisierungsschicht 38 elektrisch verbunden. Der Unterseitenbereich 44b ist über einen vierten Stift 46d zwischen dem Hauptsubstrat 18 und dem Hilfssubstrat 34 mit dem DC--Bereich DC- elektrisch verbunden.
  • Der DC+-Bereich ist mit dem zweiten Bereich 30b des oberen Teils elektrisch verbunden. Der erste Bereich 30a des oberen Teils ist mit dem AC-Bereich elektrisch verbunden. Auf solch eine Weise ist der Diodenchip 14a (bezüglich der Anodenseite 48+ und der Kathodenseite 48-) parallel und/oder (bezüglich der Positivanschlussseite 46+ und der Negativanschlussseite 46-) in der gleichen Leitungsrichtung wie der Halbleiterschalterchip 12a angeordnet. Dies ist hinsichtlich Kühlung von Vorteil. Ferner ist der Diodenchip 14a über das Hilfssubstrat 34 antiparallel mit dem Halbleiterschalterchip 12a elektrisch verbunden.
  • Analog dazu ist der AC-Bereich mit dem zweiten Bereich 32b des unteren Teils elektrisch verbunden, und der erste Bereich 32a des unteren Teils ist mit dem DC-Bereich elektrisch verbunden. Auf solch eine Weise ist der Diodenchip 14b (bezüglich der Anodenseite 48+ und der Kathodenseite 48-) parallel und/oder (bezüglich der Positivanschlussseite 46+ und der Negativanschlussseite 46-) in der gleichen Leitungsrichtung wie der Halbleiterschalterchip 12b verbunden. Dies ist hinsichtlich Kühlung von Vorteil. Ferner ist der Diodenchip 14b über das Hilfssubstrat 34 antiparallel mit dem Halbleiterschalterchip 12a elektrisch verbunden.
  • Insbesondere wenn die Diodenchips 14a, 14b Galliumoxiddioden und/oder Dioden, die aus anderen Materialien mit großer Bandlücke hergestellt sind, bereitstellen und/oder sind, ist die Wärmeleitung schlechter als bei Silicium. Ferner erfolgt der Großteil der Erwärmung in den Diodenchips 14a, 14b nahe der Anodenschicht und/oder Anodenseite 48+. Der Abstand der Schicht in den Diodenchips 14a, 14b, wo der Großteil der Wärme erzeugt wird, zu der Anodenseite 48+ kann 2 µm bis 10 µm betragen, während der Abstand dieser Schicht zu der Kathodenseite 48- etwa 70 µm bis 500 µm betragen kann. Somit führt das Kühlen der Anodenseite 48+, das zu einer Wärmesenke 52 hin gerichtet ist, zu einer effektiveren Wärmeübertragung.
  • Mit Blickrichtung in eine orthogonal zu dem Hauptsubstrat 18 und dem Hilfssubstrat 34 verlaufende Richtung überlappen sich der zweite Bereich 30b des oberen Teils und der DC+-Bereich. Ferner überlappen sich der zweite Bereich 32b des unteren Teils und der AC-Bereich. Um diese Bereiche elektrisch zu verbinden (30a mit DC+ oder 32a mit AC), werden elektrisch leitende Stifte 42a, 42b verwendet, die an die jeweiligen Bereiche gebondet sind.
  • Das Hilfssubstrat 34 kann eine PCB sein, und die Stifte 42a, 42b (sowie die Stifte 42c, 42d) können Pins sein, die an die jeweilige Metallisierungsschicht 36, 38 gelötet sind. Beim Befestigen des Hilfssubstrats 34 an den Rest des Halbbrückenmoduls 10 können die Pins und/oder Stifte 42a, 42b, 42c, 42d an die Metallisierungsschicht 22 gelötet sein.
  • 4 zeigt eine Wärmesenke 52, die an der Metallisierungsschicht 24 des Hauptsubstrats 18 befestigt ist. Die Wärmesenke 32 kann an die Rückseite des Hauptsubstrats 18 gegenüber den Halbleiterschalterchips 12a, 12b und den Diodenchips 14a, 14b gebondet oder auf andere Weise daran befestigt sein. Die Wärmesenke 52 kann eine beliebige Art von Kühlelement sein und/oder kann auf Luft- oder Wasserkühlung basieren. Es ist auch eine aktive und passive Kühlung möglich.
  • Obgleich die Erfindung in den Zeichnungen und in der vorhergehenden Beschreibung ausführlich dargestellt und beschrieben worden ist, sind solch eine Darstellung und Beschreibung als veranschaulichend oder beispielhaft und nicht als einschränkend zu betrachten. In den Ansprüchen schließt das Wort „umfassen/umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte aus, und der unbestimmte Artikel „ein/eine/einer“ schließt keinen Plural aus. Ein einziger Prozessor oder eine einzige Steuerung oder eine einzige andere Einheit können die Funktionen mehrerer in den Ansprüchen angeführter Elemente erfüllen. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in voneinander verschiedenen abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind, bedeutet nicht, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht zum Vorteil genutzt werden kann.

Claims (12)

  1. Halbbrückenmodul (10), umfassend: ein Hauptsubstrat (18), das mindestens eine Metallisierungsschicht (22) auf einer Isolationsschicht (20) umfasst; einen ersten Halbleiterschalterchip (12a) und einen zweiten Halbleiterschalterchip (12b), wobei jeder Halbleiterschalterchip (12a, 12b) einen positiven Anschluss (T+) auf einer Positivanschlussseite (46+) und einen negativen Anschluss (T-) auf einer Negativanschlussseite (46-) gegenüber der Positivanschlussseite (46+), der zum Schalten eines Stroms von dem positiven Anschluss (T+) zu dem negativen Anschluss (T-) ausgeführt ist, umfasst; einen ersten Diodenchip (14a) und einen zweiten Diodenchip (14b), wobei jeder Diodenchip (14a, 14b) eine Anode (D+) auf einer Anodenseite (48+) und eine Kathode (D-) auf einer Kathodenseite (48-) gegenüber der Anodenseite (48+), die zum Sperren eines Stroms von der Kathode (D-) zu der Anode (D+) ausgeführt ist, umfasst; ein Hilfssubstrat (34), wobei der erste Halbleiterschalterchip (12a), der zweite Halbleiterschalterchip (12b), der erste Diodenchip (14a) und der zweite Diodenchip (14b) zwischen dem Hauptsubstrat (18) und dem Hilfssubstrat (34) angeordnet sind; wobei die Metallisierungsschicht (22) des Hauptsubstrats (18) in einen DC+-Bereich (DC+), einen AC-Bereich (AC) und einen DC-Bereich (DC-), die auf der Isolationsschicht (20) elektrisch voneinander getrennt sind, unterteilt ist; wobei der erste Halbleiterschalterchip (12a) mit der Positivanschlussseite (46+) an den DC+-Bereich (DC+) gebondet ist; wobei der erste Diodenchip (14a) mit der Anodenseite (48+) an den AC-Bereich (AC) gebondet ist; wobei der zweite Halbleiterschalterchip (12b) mit der Positivanschlussseite (46+) an den AC-Bereich (AC) gebondet ist; wobei der zweite Diodenchip (14b) mit der Anodenseite (48+) an den DC-Bereich (DC-) gebondet ist; wobei der erste Halbleiterschalterchip (12a) und der zweite Halbleiterschalterchip (12b) mit ihren Negativanschlussseiten (46-) an das Hilfssubstrat (34) gebondet sind und der erste Diodenchip (14a) und der zweite Diodenchip (14b) mit ihren Kathodenseiten (48-) an das Hilfssubstrat (34) gebondet sind, das den ersten Halbleiterschalterchip (12a), den zweiten Halbleiterschalterchip (12b), den ersten Diodenchip (14a) und den zweiten Diodenchip (14b) zu einer Halbbrücke verbindet.
  2. Halbbrückenmodul (10) nach Anspruch 1, wobei der erste Halbleiterschalterchip (12a) und der erste Diodenchip (14a) in einer ersten Reihe für den oberen Teil (26a) der Halbbrücke angeordnet sind; wobei der zweite Halbleiterschalterchip (12b) und der zweite Diodenchip (14b) in einer zweiten Reihe für den unteren Teil (26b) der Halbbrücke angeordnet sind, wobei diese zweite Reihe neben der ersten Reihe und in einer entgegengesetzten Richtung zu der ersten Reihe verläuft.
  3. Halbbrückenmodul (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der DC+-Bereich (DC+) und der DC-Bereich (DC-) auf einer Anschlussseite (28a) des Halbbrückenmoduls (10) angeordnet sind; wobei der AC-Bereich (AC) auf einer weiteren Seite (28b) des Halbbrückenmoduls (10) gegenüber der Anschlussseite (28a) angeordnet ist; wobei der AC-Bereich (AC) neben dem DC+-Bereich (DC+) und dem DC-Bereich (DC-) angeordnet ist.
  4. Halbbrückenmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der AC-Bereich (AC) L-förmig ist; wobei eine Ecke des DC+-Bereichs (DC+) von dem AC-Bereich (AC) umgeben ist; wobei der DC-Bereich (DC-) neben einem Arm des L-förmigen AC-Bereichs (AC) angeordnet ist.
  5. Halbbrückenmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Halbleiterschalterchip (12a) auf dem DC+-Bereich (DC+), der erste Diodenchip (14a) und der zweite Halbleiterschalterchip (12b) auf dem AC-Bereich (AC) und der zweite Diodenchip (14b) auf dem DC-Bereich in dieser Reihenfolge auf einer Schleife um eine Mitte des Halbbrückenmoduls (10) angeordnet sind, so dass ein Hauptstrom um diese Schleife fließt.
  6. Halbbrückenmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Hilfssubstrat (34) eine erste Metallisierungsschicht (36), eine zweite Metallisierungsschicht (38) und eine Isolationsschicht (40) dazwischen umfasst; wobei der erste Halbleiterschalterchip (12a), der zweite Halbleiterschalterchip (12b), der erste Diodenchip (14a) und der zweite Diodenchip (14b) an die erste Metallisierungsschicht (36) gebondet und über die zweite Metallisierungsschicht (38) elektrisch verbunden sind.
  7. Halbbrückenmodul nach Anspruch 6, wobei die erste Metallisierungsschicht (36) zu einem ersten Bereich (30a) und einem zweiten Bereich (30b) für eine Oberseite der Halbbrücke und einem ersten Bereich (32a) und einem zweiten Bereich (32b) für eine Unterseite der Halbbrücke strukturiert ist; wobei der erste Halbleiterschalterchip (12a) mit der Negativanschlussseite (46-) an den ersten Bereich (30a) für die Oberseite gebondet ist; wobei der erste Diodenchip (14a) mit der Kathodenseite (48-) an den zweiten Bereich (30b) für die Oberseite gebondet ist; wobei der zweite Halbleiterschalterchip (12b) mit der Negativanschlussseite (46-) an den ersten Bereich (32a) für die Unterseite gebondet ist; wobei der zweite Diodenchip (14b) mit der Kathodenseite (48-) an den zweiten Bereich (32b) für die Unterseite gebondet ist.
  8. Halbbrückenmodul Anspruch 7, wobei der DC+-Bereich (DC+) über einen ersten Stift (42a) zwischen dem Hauptsubstrat (18) und dem Hilfssubstrat (34) mit dem zweiten Bereich (30b) für die Oberseite elektrisch verbunden ist; wobei der AC-Bereich (AC) über einen zweiten Stift (42b) zwischen dem Hauptsubstrat (18) und dem Hilfssubstrat (34) mit dem zweiten Bereich (32b) für die Unterseite elektrisch verbunden ist.
  9. Halbbrückenmodul nach einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei die zweite Metallisierungsschicht (38) zu einem Oberseitenbereich (44a) und einem Unterseitenbereich (44b) strukturiert ist; wobei der erste Bereich (30a) für die Oberseite der ersten Metallisierungsschicht (36) mit dem Oberseitenbereich (44a) der zweiten Metallisierungsschicht (38) elektrisch verbunden ist; wobei der Oberseitenbereich (44a) über einen dritten Stift (46c) zwischen dem Hauptsubstrat (18) und dem Hilfssubstrat (34) mit dem AC-Bereich (AC) elektrisch verbunden ist; wobei der erste Bereich (32a) für die Unterseite der ersten Metallisierungsschicht (36) mit dem Unterseitenbereich (44b) der zweiten Metallisierungsschicht (38) elektrisch verbunden ist; wobei der Unterseitenbereich (44b) über einen vierten Stift (46d) zwischen dem Hauptsubstrat (18) und dem Hilfssubstrat (34) mit dem DC--Bereich (DC-) elektrisch verbunden ist.
  10. Halbbrückenmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Wärmesenke (52), die mit dem Hauptsubstrat (18) gegenüber dem ersten und zweiten Halbleiterschalterchip (12a, 12b) und dem ersten und zweiten Diodenchip (14a, 14b) verbunden ist.
  11. Halbbrückenmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Diodenchip (14a) eine Galliumoxiddiode umfasst; und/oder wobei der zweite Diodenchip (14b) eine Galliumoxiddiode umfasst.
  12. Halbbrückenmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Hauptsubstrat (18) ein Direct-Bonded-Copper-Substrat oder ein Insulated-Metal-Substrat ist; und/oder wobei das Hilfssubstrat (34) ein Direct-Bonded-Copper-Substrat oder eine Leiterplatte ist.
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