-
ERFINDUNGSGEBIET
-
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Leistungsmodul.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Während Hybridfahrzeuge und reine Elektrofahrzeuge weiter leistungsstärkere und energieeffizientere Einrichtungen erfordern, werden Leistungselemente auf Basis von Siliziumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) zunehmend populär. Leistungselemente auf Basis von SiC und GaN weisen um ein Mehrfaches niedrigere Schaltverluste auf als vergleichbare IGBTs. Unter Bezugnahme auf 1-3, wobei GaN-Einrichtungen als ein Beispiel genommen werden, werden GaN-Einrichtungen als Leistungselemente in einem Leistungselement-Integrationsmodul eines Wechselrichters verwendet. Wie in 1 gezeigt, enthält ein GaN-Leistungselement 1 Gateelektroden 11, eine Sourceelektrode 12 und eine Drainelektrode 13, auf der gleichen Oberfläche des Leistungselements angeordnet. Die physischen Größen zwischen den Elektroden sind sehr klein (kleiner als 100 µm), was die mit einer Elektrodenverbindung assoziierte Schwierigkeit erhöht. Feine Verbindungen müssen umgesetzt werden, um einen Kurzschluss zwischen diesen Elektroden zu vermeiden.
-
Unter Bezugnahme auf 1-2 enthält das Leistungselementintegrationsmodul ein DBC (Direct Bond Copper) 3 als den physischen Träger für das Leistungselement 1 und Stromschienen. Die Sourceelektrode 12 und die Drainelektrode 13 müssen elektrisch mit den Stromschienen verbunden sein, um Leistung umzuwandeln. Der leichteste Weg, um eine elektrische Verbindung zwischen Elektroden des Leistungselements 1 und den Stromschienen herzustellen und dabei zu verhindern, dass GaN-Einrichtungen einen Kurzschluss erfahren, ist ein Drahtbondprozess. Wie in 2 gezeigt, werden Bonddrähte 2 auf jede Elektrode mit Hilfe eines Drahtbondprozesses gebildet, elektrische Verbindungen zwischen Leistungselement 1 und Stromschienen 4 werden über Bonddrähte 2 hergestellt. Die Länge der Bonddrähte 2 variiert zwischen 1 cm und 3 cm, was eine nichtvernachlässigbare parasitäre Induktanz (hauptsächlich die parasitäre Leistungsschleifeninduktanz) verursacht. Bei diesem Design ist die parasitäre Induktanz wegen der Bonddrähte 2 erhöht, und eine große parasitäre Induktanz ist für GaN- oder SiC-Einrichtungen wegen der hohen Schaltgeschwindigkeit von GaN- oder SiC-Einrichtungen für GaN- oder SiC-Einrichtungen nicht geeignet (eine große parasitäre Induktanz wird Rauschen und eine Spitzenspannung verursachen, so dass GaN- oder SiC-Einrichtungen ihre hohe Leistung nicht erzielen können).
-
Unter Bezugnahme auf 3 besteht, um eine hohe parasitäre Induktanz zu verhindern, eine andere Lösung zum Herstellen der elektrischen Verbindung zwischen den GaN-Einrichtungen mit einer Leiterplatte, die die GaN-Einrichtungen ansteuert, darin, die GaN-Einrichtungen auf der Leiterplatte 5 (mit einer Ansteuerschaltung 51) direkt über Lotmaterial anzulöten. Die parasitäre Induktanz wird breit reduziert, während die mechanische Beanspruchung ein neues Problem wird. Aufgrund der Temperaturänderungen während des Betriebs der GaN-Einrichtungen wird durch die GaN-Einrichtungen eine große Menge an Wärme erzeugt und zu dem Lotmaterial übertragen. Das Lotmaterial bricht leicht, da eine Wärmeausdehnungskoeffizientendifferenz zwischen der GaN-Einrichtung und der Ansteuerschaltung 51 (beispielsweise Cu), was wiederum die GaN-Einrichtungen und die Leiterplatte 5 aufgrund des offenen Stromkreises beschädigt, der durch gerissenes Lotmaterial verursacht wird. Eine Alternative zum Löten ist das Sintern. Das Bonden über Sintern ist sicherer als das über Löten. Im Vergleich zu dem Sintermaterial jedoch können die GaN-Einrichtungen durch die Beanspruchung leichter beschädigt werden.
-
KURZE DARSTELLUNG
-
Die vorliegende Offenbarung liefert einige Ausführungsformen eines Leistungselementintegrationsmoduls, das sowohl hinsichtlich elektrischer als auch thermischer Charakteristika ausgezeichnet ist, leicht herzustellen ist und mit dem gegenwärtigen Herstellungsprozess kompatibel ist.
-
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung wird ein Leistungselementintegrationsmodul bereitgestellt, umfassend ein Leistungselement mit mindestens einer Elektrode auf seiner oberen Oberfläche und einer Schaltungsschicht, wobei sich die Elektrode entlang einer Primärrichtung erstreckt, wobei das Leistungselementintegrationsmodul weiter umfasst: eine Verdrahtungsschicht, die auf der Elektrode gebildet ist und elektrisch mit der Elektrode verbunden ist, wobei die Verdrahtungsschicht so ausgelegt ist, dass sie sich entlang der Primärrichtung erstreckt und mehrere Biegeabschnitte umfasst, die sich entlang einer Richtung senkrecht zu der oberen Oberfläche erstrecken, wobei die Schaltungsschicht auf der Verdrahtungsschicht vorgesehen ist, ein Lot, das ausgelegt ist zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen der Schaltungsschicht und der Elektrode über die Biegeabschnitte, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient der Verdrahtungsschicht zwischen dem des Leistungselements und dem der Schaltungsschicht liegt, die Biegeabschnitte ausgelegt sind zum Aushalten einer Verformung der Verdrahtungsschicht während des Betriebs des Leistungselements.
-
Die Verdrahtungsschicht mit einem geeigneten Wärmeausdehnungskoeffizienten (zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Leistungselements und dem der Schaltungsschicht) liefert einen Wärmeübergang zwischen dem Leistungselement und der Schaltungsschicht, wodurch das Lot während des Betriebs des Leistungselements weniger leicht bricht. Außerdem ist die elektrische Verbindung zwischen der Schaltungsschicht und der Elektrode stabiler, da die Biegeabschnitte eine Verformung der Schaltungsschicht aushalten, die durch Hitze erzeugt wird, die während des Betriebs des Leistungselements generiert wird. Das Leistungselementintegrationsmodul wird dauerhafter, insbesondere in der Kraftfahrzeugindustrie, wo Schwingungen und Schocks unvermeidbar sind.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Verdrahtungsschicht einen ersten Kontaktabschnitt, der die Elektrode kontaktiert, und einen zweiten Kontaktabschnitt, der die Schaltungsschicht über das Lot kontaktiert.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform stellt ein Teil jedes Biegeabschnitts den zweiten Kontaktabschnitt dar, und der andere Teil jedes Biegeabschnitts ist ausgelegt, um in Anpassung an die Verformung der Verdrahtungsschicht verformt zu werden. Bei diesem Design ist die Flexibilität der Verdrahtungsschicht verbessert, und der durch die Temperaturschwankung auf das Leistungselementintegrationsmodul verursachte Beanspruchungseinfluss wird abgeschwächt.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform kontaktiert der erste Kontaktabschnitt die Elektrode mit Hilfe eines Punktkontakts oder Linienkontakts oder Oberflächenkontakts.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform kontaktiert der zweite Kontaktabschnitt die Schaltungsschicht über das Lot mit Hilfe eines Punktkontakts oder Linienkontakts oder Oberflächenkontakts.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der zweite Kontaktabschnitt eine Bogenliniensektion, eine konvexe Oberfläche oder eine ebene Oberfläche.
-
In bevorzugten Ausführungsform wird die Verdrahtungsschicht auf der Elektrode mit Hilfe eines Drahtbondprozesses gebildet.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Verdrahtungsschicht mindestens einen Metalldraht parallel zueinander. Der Durchmesser jedes Metalldrahts liegt zwischen 100 µm und 400 µm, der Metalldraht besteht aus Aluminium, Kupfer, Silber oder Gold. Ein oder mehrere parallele Metalldrähte sind auf jeder Elektrode vorgesehen.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Verdrahtungsschicht mindestens ein Metallband, wobei sich jedes Metallband entlang der Primärrichtung erstreckt und ausgelegt ist, parallel zueinander zu sein. Die Breite jedes Metallbands ist die gleiche wie der Elektrode. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform liegt die Breite jedes Metallbands zwischen 100 µm und 500 µm. Ein oder mehrere parallele Metallbänder sind auf jeder Elektrode vorgesehen.
-
Andere Aspekte und Vorteile der Ausführungsformen ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, die beispielhaft die Prinzipien der beschriebenen Ausführungsformen veranschaulichen.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die beschriebenen Ausführungsformen und deren Vorteile können am besten unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verstanden werden. Diese Zeichnungen beschränken auf keinerlei Weise etwaige Änderungen hinsichtlich Form und Detail, die durch einen Fachmann an den beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen.
- 1 ist eine Draufsicht einer GaN-Einrichtung, die die Anordnung von Elektroden zeigt.
- 2 ist eine Querschnittsansicht eines GaN-Leistungsmoduls, die die elektrischen Verbindungen zwischen einer GaN-Einrichtung und Stromschienen zeigt.
- 3 ist eine Querschnittsansicht, die zeigt, wie die GaN-Einrichtung in einem Leistungsmodul elektrisch mit einer Schaltungsplatine verbunden ist.
- 4 ist eine Draufsicht einer Verdrahtungsschicht, die auf den Elektroden der GaN-Einrichtung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung gebildet ist.
- 5 ist eine Querschnittsansicht, die eine schematische Konfiguration eines Leistungselementintegrationsmoduls gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung zeigt.
- 6 ist eine andere Querschnittsansicht, die eine schematische Konfiguration eines Leistungselementintegrationsmoduls von 5 zeigt.
- 7 ist eine Querschnittsansicht der Verdrahtungsschicht gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
- 8 ist eine Querschnittsansicht der Verdrahtungsschicht gemäß einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung.
- 9 ist eine Perspektivansicht der Verdrahtungsschicht gemäß einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Nunmehr unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden Ausführungsformen der Offenbarung ausführlich beschrieben. Unter Bezugnahme auf 4-7 wird, indem eine GaN-Einrichtung als ein Beispiel genommen wird, eine schematische Konfiguration eines Leistungselementintegrationsmoduls gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung offenbart. Das Leistungselementintegrationsmodul umfasst ein Leistungselement 1 mit zwei Elektroden (Source und Drain) 12, 13 auf seiner oberen Oberfläche (xy-Ebene), und eine Schaltungsschicht 50, wobei sich die Elektroden beide entlang einer Primärrichtung (x-Achse) erstrecken. Jede Elektrode 12, 13 weist eine Primärsektion 121, 131 auf, die sich entlang der Primärrichtung erstreckt, beziehungsweise eine Sekundärsektion 122, 132, die sich entlang einer Sekundärrichtung (y-Achse) erstreckt. Die Größe der Primärsektionen 121, 131 ist ausreichend größer als die der Sekundärsektionen 122, 132.
-
Das Leistungselementintegrationsmodul umfasst weiter eine Verdrahtungsschicht 2, die auf den Elektroden 12, 13 gebildet ist und elektrisch mit den Elektroden 12, 13 verbunden ist. Unter Berücksichtigung der Größendifferenz zwischen der Primärsektion und der Sekundärsektion ist die Verdrahtungsschicht 2 nur auf der Primärsektion jeder Elektrodenschicht 12, 13 gebildet. Die Verdrahtungsschicht 2 ist dafür ausgelegt, sich entlang der Primärrichtung zu erstrecken und so viel Fläche der Primärsektion wie möglich zu bedecken. Die Verdrahtungsschicht 2 umfasst mehrere Biegeabschnitte 20, die sich entlang einer Richtung (z-Achse) senkrecht zu der oberen Oberfläche erstrecken.
-
Die Schaltungsschicht 50 zum Ansteuern des Leistungselements 1 ist auf der Verdrahtungsschicht 2 vorgesehen, und ein Lot 6 ist vorgesehen, um eine elektrische Verbindung zwischen der Schaltungsschicht 50 und den Elektroden 12, 13 über die Biegeabschnitte 20 herzustellen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Verdrahtungsschicht 2 liegt zwischen dem des Leistungselements 1 und dem der Schaltungsschicht 50. Somit wird der Beanspruchungseinfluss, der durch eine Temperaturschwankung während des Einschalt-/Ausschaltbetriebs des Leistungselements verursacht wird, abgeschwächt.
-
Um den durch Temperaturschwankungen verursachten schlechten Beanspruchungseinfluss zu reduzieren, sind die Biegeabschnitte 20 ausgelegt, um eine Verformung der Verdrahtungsschicht 2 während des Betriebs des Leistungselements 1 auszuhalten.
-
Die Verdrahtungsschicht 2 umfasst einen ersten Kontaktabschnitt 21, der die Elektroden 12, 13 kontaktiert, und einen zweiten Kontaktabschnitt 201, der die Schaltungsschicht 50 über das Lot 6 kontaktiert. In einer bevorzugten Anwendung stellt ein Teil jedes Biegeabschnitts 20 den zweiten Kontaktabschnitt dar, und der andere Teil jedes Biegeabschnitts 20 ist dafür ausgelegt, um in Anpassung an die Verformung der Verdrahtungsschicht verformt zu werden. Unter Bezugnahme auf 7 umfasst der Biegeabschnitt 20 eine „U“-förmige Sektion, die Oberseite des Biegeabschnitts 20 stellt den zweiten Kontaktabschnitt 201 dar, der die Schaltungsschicht 50 über das Lot 6 kontaktiert, und der vertikale Teil 202 der „U“-förmigen Sektion ist ausgelegt, um in Anpassung an die Verformung der Verdrahtungsschicht verformt zu werden. Bei diesem Design kontaktiert der erste Kontaktabschnitt 21 die Elektroden mit Hilfe eines Oberflächenkontakts, und der zweite Kontaktabschnitt 201 kontaktiert die Schaltungsschicht 50 ebenfalls mit Hilfe eines Oberflächenkontakts, da das Lot 6 eine große Erweiterbarkeit aufweist.
-
Der zweite Kontaktabschnitt 201 könnte außer einer ebenen Oberfläche eine Bogenliniensektion oder eine konvexe Oberfläche umfassen. In einer bevorzugten Anwendung, unter Bezugnahme auf 8, wird eine Verdrahtungsschicht 2 mit einer Bogenliniensektion offenbart. Die Verdrahtungsschicht 2 wird leicht durch einen Drahtbondprozess gebildet. Der Biegeabschnitt 20 weist eine Bogengestalt auf, die Oberseite des Bogens bildet den zweiten Kontaktabschnitt 201, und der untere Teil des Bogens bildet den ersten Kontaktabschnitt 202, der in Anpassung an die Verformung der Verdrahtungsschicht verformt wird. Bei diesem Design kontaktiert der erste Kontaktabschnitt 21 die Elektroden mit Hilfe eines Punktkontakts, und der zweite Kontaktabschnitt 201 kontaktiert die Schaltungsschicht 50 mit Hilfe eines Linienkontakts.
-
In anderen bevorzugten Anwendung, unter Bezugnahme auf 9, wird eine Verdrahtungsschicht 2 offenbart, die mehrere parallele Metallbänder umfasst. Beispielsweise werden zwei parallele Metallbänder auf jeder Elektrode vorgesehen. Die Verdrahtungsschicht 2 (das Metallband) wird ebenfalls durch einen Drahtbondprozess gebildet. Jedes Metallband ist wellenförmig und umfasst eine Wellenspitzensektion, eine Wellentalsektion und eine Verbindungssektion 202, die die Wellenspitzensektion und die Wellentalsektion koppelt. Der Biegeabschnitt 20 besteht aus der Wellenspitzensektion und mindestens einem Teil der Verbindungssektion 202. Die Wellenspitzensektion bildet den zweiten Kontaktabschnitt 201, und die Wellentalsektion bildet den die Elektrode kontaktierenden ersten Kontaktabschnitt 21, während mindestens ein anderer Teil der Verbindungssektion 202 dafür ausgelegt ist, in Anpassung an die Verformung der Verdrahtungsschicht verformt zu werden.
-
Für die bevorzugte Ausführungsform ist eine Anzahl alternativer Strukturelemente und Verarbeitungsschritte vorgeschlagen worden. Während die Offenbarung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen beschrieben worden ist, veranschaulicht die Beschreibung somit die Offenbarung und ist nicht als die Offenbarung beschränkend auszulegen. Verschiedene Modifikationen und Anwendungen können sich dem Fachmann ergeben, ohne von dem wahren Gedanken und Schutzbereich der Offenbarung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert, abzuweichen.
