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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kontaktierungselement für Leistungshalbleitermodule zur Kontaktierung von Kontaktflächen eines Leistungshalbleiterchips. Sie bezieht sich ferner auf Leistungshalbleitermodule mit zumindest einem derartigen Kontaktierungselement. Zudem bezieht sich die Erfindung auf Inverter mit zumindest einem genannten Leistungshalbleitermodul.
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Zur Kontaktierung von Leistungshalbleiterchips in Leistungshalbleitermodulen, insbesondere zur Verbindung von Kontaktflächen von Leistungshalbleiterchips mit Außenkontakten des Leistungshalbleitermoduls, werden häufig Bonddrähte oder Bondbänder (ribbons) eingesetzt, die jedoch einen verhältnismäßig hohen Platzbedarf haben, verhältnismäßig aufwendig anzubringen sind sowie aufgrund der weiteren benötigten Schnittstellen zu einer Erhöhung der Ausfallwahrscheinlichkeit führen können.
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Alternativ werden Clips oder wellig umgeformte Stanzbiegeteile eingesetzt. Derartig umgeformte Teile sind jedoch aufgrund des Umformprozesses in ihrer Dicke begrenzt. Die Dicke ist neben der Breite die einzige Möglichkeit, um die Stromtragfähigkeit zu erhöhen. Eine höhere Dicke jedoch benötigt mehr Platz aufgrund größerer Biegeradien. Zudem ist die Genauigkeit der Umformung begrenzt, sodass dickere Lotschichten zum Toleranzausgleich eingesetzt werden müssen, die jedoch ebenfalls die Ausfallwahrscheinlichkeit erhöhen.
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Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kontaktierungselement für Leistungshalbleitermodule anzugeben, das eine besonders hohe Stromtragfähigkeit aufweist, auf einfache Weise montierbar ist sowie eine Kontaktierung der Halbleiterchips mit einer hohen Genauigkeit erlaubt.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Kontaktierungselement für Leistungshalbleitermodule angegeben zur Kontaktierung von Kontaktflächen eines Leistungshalbleiterchips, wobei das Kontaktierungselement als plattenförmiges Metallteil mit einer Hauptebene ausgebildet ist und einen Zentralbereich mit zumindest zwei sich in der Erstreckungsrichtung einer Längsachse des Kontaktierungselements (insb. zueinander parallel) erstreckenden Armen aufweist, zwischen denen ein Zwischenraum (in Form einer die Hauptebene hindurchgehenden Aussparung) gebildet ist. Ferner weist das Kontaktierungselement einen sich in der Erstreckungsrichtung der Längsachse auf einer ersten Seite des Zentralbereichs an den Zentralbereich anschließenden Außenkontaktbereich auf sowie einen sich in der Erstreckungsrichtung der Längsachse auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Zentralbereichs an den Zentralbereich anschließenden Verbindungsbereich, der eine Mehrzahl von Verbindungselementen aufweist, die sich von den beiden Armen in den Zwischenraum (insb. in Richtung zur Längsachse des Kontaktierungselements) erstrecken und die zur Kontaktierung von Halbleiterchips vorgesehen sind.
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Hierbei ist die Hauptebene die Ebene, in der sich der Zentralbereich bzw. Großteil davon befindet und/oder in der sich die beiden Arme bzw. Großteil davon erstrecken.
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Das Kontaktierungselement, das insbesondere als Stanzteil ausgebildet sein kann, d.h. einstückig aus einem Blech ausgestanzt sein kann, weist somit eine stimmgabelähnliche Form auf, bei der sich der Außenkontaktbereich in die zwei sich parallel erstreckenden Arme gabelt. An der Spitze der Stimmgabel ist der Verbindungsbereich vorgesehen.
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Zwar kann das Kontaktierungselement auch mehr als zwei sich parallel erstreckende Arme aufweisen, jedoch hat sich die spezifische Ausführungsform mit genau zwei sich parallel erstreckenden Armen als besonders zweckmäßig für die Kontaktierung einzelner Leistungshalbleiterchips erwiesen. Aufgrund der verhältnismäßig großen Menge an Material weisen die Arme eine verhältnismäßig hohe Stromtragfähigkeit auf. Der dazwischen gebildete Zwischenraum ermöglicht einen Zugang zu unterhalb des Kontaktierungselements gelegenen Teilen, beispielsweise zu Montagezwecken. Die Verbindungselemente, die insbesondere aus der Hauptebene des Kontaktierungselements herausgebogen sein können, ermöglichen eine zuverlässige Kontaktierung von Kontaktflächen des Leistungshalbleiterchips. Die Verbindung zwischen den Verbindungselementen und den Kontaktflächen kann mittels Lötens erfolgen. Sie kann jedoch auch mittels Sintern erfolgen. Sie kann auch mittels (Laser-)Schweißverfahren erfolgen.
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Das Kontaktierungselement hat somit den Vorteil, dass es eine sichere und schnell montierbare elektrische Kontaktierung des Leistungshalbleiterchips bereitstellt, die eine hohe Stromtragfähigkeit aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Verbindungselemente aus der Hauptebene des Kontaktierungselements herausgebogen. Endbereiche der Verbindungselemente können dabei in einer Kontaktierebene liegen. Die Kontaktierebene entspricht dabei nach der Montage der Ebene der Kontaktflächen des Leistungshalbleiterchips.
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Das Kontaktierungselement kann insbesondere so proportioniert sein, dass der Außenkontaktbereich einen Anteil von 20-40 % an einer Längserstreckung des Kontaktierungselements hat, der Zentralbereich einen Anteil von 25-70 % und der Verbindungsbereich einen Anteil von 10-40 %. Eine derartige Dimensionierung hat sich als vorteilhaft für gängige Designs herausgestellt.
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Der Verbindungsbereich kann insbesondere eine Anzahl von Paaren einander gegenüberliegender Verbindungselemente aufweisen, die jeweils durch Durchtrennen eines die beiden Arme verbindenden Stegs entlang einer Längsachse des Kontaktierungselements gebildet sind.
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Bei dieser Ausführungsform wird einer oder mehrere Stege, die die beiden Arme miteinander verbinden, während des Stanzens gebildet und mittig durchtrennt, um sich symmetrisch von den Armen in den Zwischenraum erstreckende Verbindungselemente herzustellen. Das Bilden und Durchtrennen des Stegs kann dabei im selben Stanzschritt erfolgen, so dass ein undurchtrennter Steg in Wirklichkeit zu keinem Zeitpunkt besteht, sondern lediglich gedanklich.
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Alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass der Verbindungsbereich eine Anzahl von Verbindungselementen aufweist, die jeweils durch Durchtrennen eines die beiden Arme verbindenden Stegs abwechselnd im Bereich des einen Arms und des anderen Arms (nämlich in Bereichen, die jeweils die jeweiligen Stegen mit den entsprechenden Armen körperlich verbinden) gebildet sind. Bei dieser Ausführungsform erstrecken sich hintereinander liegende Stege abwechselnd von dem einen oder von dem anderen Arm aus und sind somit nicht symmetrisch zur Längsachse ausgebildet. Bei dieser Variante kann es vorteilhaft sein, eine Aussparung für eine eventuelle (Steuer- bzw. Signal-)Anschlussverbindung bzw. für einen eventuellen Gatefinger des Halbleiters vorzusehen.
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Beide Möglichkeiten sowie Mischformen oder ähnliche Ausgestaltungen stellen vorteilhafte Gestaltungen der Verbindungselemente dar, mit denen die Leistungshalbleiterchips stabil und mit hoher Stromtragfähigkeit kontaktiert werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass der Verbindungsbereich zumindest einen die beiden Arme miteinander verbindenden Steg aufweist. Ein derartiger Steg kann vorgesehen sein, um die Stabilität des Kontaktierungselements insbesondere beim Biegen zu erhöhen. Auf einen derartigen Steg kann jedoch auch bewusst verzichtet werden, wenn eine besondere Flexibilität des Kontaktierungselements im Verbindungsbereich gewünscht ist, beispielsweise um einen besonders guten Toleranzausgleich zu erzielen.
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Das Kontaktierungselement ist insbesondere aus Kupfer, insbesondere hochreinem Kupfer, ausgebildet, um eine besonders gute Leitfähigkeit zu erreichen. Alternative Materialien wie Aluminium können zudem verwendet werden. Das Kontaktierungselement kann auch ganz oder teilweise aus einer Kupferlegierung bestehen, um die thermische Ausdehnung zu optimieren.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Leistungshalbleitermodul angegeben, aufweisend zumindest einen Leistungshalbleiterchip mit einer Unterseite und einer Oberseite, wobei der Leistungshalbleiterchip mit seiner Unterseite auf einem Substrat angeordnet ist und auf seiner Oberseite Kontaktflächen zur elektrischen Kontaktierung aufweist. Zumindest eines der beschriebenen Kontaktierungselemente ist über seine Verbindungselemente mit Kontaktflächen des Leistungshalbleiterchips elektrisch verbunden.
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Das Leistungsmodul weist den Vorteil auf, dass die Kontaktflächen des Leistungshalbleiterchips besonders sicher und mit hoher Stromtragfähigkeit kontaktiert sind. Zudem ist die Montage gegenüber gängigen Verfahren vereinfacht.
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Das Kontaktierungselement kann dabei direkt oder indirekt mit der Oberseite des Leistungshalbleiterchips verbunden werden. Beispielsweise kann sich auf der Oberseite des Leistungshalbleiterchips auch ein mittels Sinterverfahren aufgebrachtes Kupferplättchen befinden. Derartige Kupferplättchen verbessern u. a. die gleichmäßige Stromverteilung auf dem Halbleiter.
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Gemäß einer Ausführungsform sind das Substrat, der zumindest eine Leistungshalbleiterchip sowie das zumindest eine Kontaktierungselement zumindest teilweise in eine Kunststoffgehäusemasse eingebettet, wobei der Außenkontaktbereich des zumindest einen Kontaktierungselements außerhalb des Gehäuses frei liegt.
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Üblicherweise wird ein derartiger Leistungshalbleiterchip nach der Montage beispielsweise mittels Spritzgussverfahren in ein Kunststoffgehäuse verpackt, aus dem die Außenkontakte ragen. Auch Bereiche des Substrats und/oder ein Kühlkörper können auf der Unterseite des Kunststoffgehäuses frei liegen.
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Das zumindest eine Kontaktierungselement kann über zumindest eine Lotverbindung mit Kontaktflächen des Leistungshalbleiterchips verbunden sein. Es kann jedoch auch über zumindest eine Sinterverbindung oder eine (Laser-)Schweißverbindung mit Kontaktflächen des Leistungshalbleiterchips verbunden sein. Welche Art der Verbindung gewählt wird, hängt hauptsächlich davon ab, welche Art von Leistungshalbleiterchip bereitgestellt wird. Leistungshalbleiterchips, die mittels einer Sinterverbindung kontaktiert werden, weisen dafür teilweise bereits eine entsprechende Oberfläche auf, die mittels einer Sinterpaste versintert wird.
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Der zumindest eine Leistungshalbleiterchip kann bspw. als ein Siliziumkarbid-Transistor bzw. ein Siliziumkarbid-Halbleiterschalter (Transistor bzw. Halbleiterschalter auf Basis von Siliziumkarbid), wie z. B. SiC-MOSFET (auf Englisch „Silicon Carbide Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors“), gebildet sein.
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Alternativ kann der zumindest eine Leistungshalbleiterchip bspw. als ein Transistor bzw. Halbleiterschalter auf Basis von Silizium oder Galliumnitrit (GaN) gebildet sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Inverter, insb. zum Betreiben eines Elektromotors eines Fahrzeugs, angegeben, aufweisend zumindest eines der beschriebenen Leistungshalbleitermodule.
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Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielhaft beschrieben.
- 1 zeigt in Draufsicht ein Kontaktierungselement gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 2 zeigt das Kontaktierungselement gemäß 1 im montierten Zustand und damit einen Ausschnitt aus einem Leistungshalbleitermodul;
- 3 zeigt in Draufsicht ein Kontaktierungselement gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
- 4 zeigt das Kontaktierungselement gemäß 3 im Querschnitt und
- 5 zeigt das Kontaktierungselement gemäß 3 in einer perspektivischen Ansicht.
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1 zeigt ein Kontaktierungselement 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das Kontaktierungselement 1 ist als Stanzbiegeteil aus hochreinem Kupfer ausgebildet und gliedert sich in einen Zentralbereich 2, einen sich an diesen auf einer Seite anschließenden Außenkontaktbereich 4 sowie einen sich auf der anderen Seite an den Zentralbereich 2 anschließenden Verbindungsbereich 4.
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Der Außenkontaktbereich 3 stellt nach erfolgter Montage des Kontaktierungselements 1 einen Außenkontakt für ein Leistungshalbleitermodul außerhalb eines Kunststoffgehäuses bereit. Der Zentralbereich 2 überbrückt eine Strecke zwischen dem Außenkontaktbereich 3 und dem Bereich, in dem ein Leistungshalbleiterchip kontaktiert wird, und überbrückt dabei gegebenenfalls auch einen Höhenunterschied. Der Zentralbereich 2 verbindet somit Außenkontakte eines Leistungshalbleitermoduls und Kontaktflächen eines Leistungshalbleiterchips elektrisch miteinander.
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Der Zentralbereich 2 weist zwei parallel zueinander verlaufende Arme 5 auf, in die er sich an einem Übergang 8 vom Außenkontaktbereich 3 gabelt. Die Arme 5, die beispielsweise eine Länge von einem halben Millimeter bis hin zu einigen Millimetern aufweisen können, bilden zwischen sich einen Zwischenraum 6. Der Zwischenraum 6 ermöglicht es, nach der Montage des Kontaktierungselements 1 darunterliegende Bereiche für weitere Arbeitsschritte freizuhalten.
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Der Verbindungsbereich 4 umfasst die Enden der beiden parallelen Arme 5 sowie von diesen ausgehende Verbindungselemente 7, die sich in den Zwischenraum 6 (bzw. in Richtung zur Längsachse des Kontaktierungselements 1) erstrecken. Zwischen den Verbindungselementen 7 sind Zwischenräume 9 angeordnet, die in der gezeigten Ausführungsform eine Kreuzform bilden und symmetrisch zu einer Längsachse L des Kontaktierungselements 1 ausgebildet sind. Die Verbindungselemente 7, die sich gegenüber liegen, berühren einander nicht. Dies ist dadurch begründet, dass die einander gegenüberliegenden Verbindungselemente 7 durch das Durchtrennen eines die Arme 5 verbindenden Stegs gebildet sind und zusätzlich aus der in 2 gezeigten Hauptebene 28 des Kontaktierungselements 4 nach unten auf eine Kontaktierebene 26 gebogen sind. Da die Verbindungselemente 7 denselben Anschluss des Leistungshalbleiterchips kontaktieren, ist der Zwischenraum 9 für die Kontaktierung nicht von Bedeutung, kann jedoch dem Toleranzausgleich und dem Sammeln und Halten von Lotmaterial dienen.
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Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist ferner ein Steg 10 vorgesehen, der die beiden Arme 5 miteinander verbindet. Der Steg 10 dient nicht zur Kontaktierung des Leistungshalbleiterchips, sondern lediglich zur Stabilisierung des Verbindungsbereichs 4. Für eine bessere Flexibilität des Kontaktierungselements 1 kann auf einen solchen Steg auch verzichtet werden.
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2 zeigt eine Schnittansicht des Kontaktierungselements 1 gemäß 1 in einem montierten Zustand und somit einen Ausschnitt aus einem Leistungshalbleitermodul 20. Das Leistungshalbleitermodul 20 umfasst zumindest einen Leistungshalbleiterchip 22 mit einer Unterseite 24 und einer Oberseite 25. Der Leistungshalbleiterchip 22 ist mit seiner Unterseite 24 auf einem Substrat 21 angeordnet. Auf seiner Oberseite 25 weist er nicht dargestellte Kontaktflächen auf. Auf den Kontaktflächen ist Lot 23 angeordnet, über das die Kontaktflächen mit dem Kontaktierungselement 1 elektrisch und mechanisch verbunden sind. Das Kontaktierungselement 1, das wie in 1 gezeigt ausgebildet ist, weist eine Hauptebene 28 auf, aus der die Verbindungselemente 7 nach unten in Richtung des Substrats 21 herausgebogen sind, um eine Kontaktierebene 26 zu bilden. In der Kontaktierebene 26, die den Kontaktflächen des Leistungshalbleiterchips 22 mit darauf aufgebrachtem Lotdepot entspricht, ist ein Bereich der Verbindungselemente 7 als Kontaktierfläche 27 angeordnet.
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Während des Verbindungsprozesses wird das Lot 23 aufgeschmolzen und erstarrt wieder, wobei es anschließend die Kontaktierfläche 27 mit Kontaktflächen des Leistungshalbleiterchips 22 verbindet.
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Die 3 bis 5 zeigen eine weitere Ausführungsform des Kontaktierungselements 1. Diese unterscheidet sich von der in 1 gezeigten leicht durch die Proportionierung der einzelnen Abschnitte Zentralbereich 2, Außenkontaktbereich 3 und Verbindungsbereich 4, jedoch hauptsächlich durch die Ausgestaltung der Verbindungselemente 7, die in der gezeigten Ausführungsform nicht symmetrisch zu Längsachse L des Kontaktierungselements ausgebildet sind. Stattdessen erstreckt sich ein erstes Verbindungselement 7 ausgehend von dem einen Arm 5 in den Zwischenraum 6, und ein benachbartes Verbindungselement 7 ausgehend von dem anderen Arm 5 in den Zwischenraum 6. Es könnten auch weitere Verbindungselemente 7 vorgesehen sein, die sich in Längsrichtung an die gezeigten anschließen würden.
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Wie im Querschnitt in 4 gezeigt ist, wird auch bei diesem Kontaktierungselement 1 ein Höhenunterschied zwischen der Hauptebene 28 und der Kontaktierebene 26 durch die Verbindungselemente 7 überbrückt.
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Bei den in den 1 bis 5 gezeigten Ausführungsformen erstrecken sich die Verbindungselemente 7 rechtwinklig von den Armen 5 in den Zwischenraum 6. Alternativ ist jedoch auch eine andere Art der Ausgestaltung und Anordnung der Verbindungselemente denkbar.
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Ein Kunststoffgehäuse ist in den 1 bis 5 nicht gezeigt, würde jedoch typischerweise vorgesehen werden. Dabei ist der Außenkontaktbereich 3 von Kunststoffgehäusemasse freigelassen und ragt aus dem Gehäuse heraus.
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Innerhalb des Kunststoffgehäuses können mehrere Leistungshalbleiterchips auf dem Substrat angeordnet und jeweils durch ein Kontaktierungselement 1 kontaktiert sein. Dabei kann es sich bei dem Substrat um ein gemeinsames Substrat oder mehrere, voneinander getrennte Substrate handeln.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kontaktierungselement
- 2
- Zentralbereich
- 3
- Außenkontaktbereich
- 4
- Verbindungsbereich
- 5
- Arm
- 6
- Zwischenraum
- 7
- Verbindungselement
- 8
- Übergang
- 9
- Zwischenraum
- 10
- Steg
- 20
- Leistungshalbleitermodul
- 21
- Substrat
- 22
- Leistungshalbleiterchip
- 23
- Lot
- 24
- Unterseite
- 25
- Oberseite
- 26
- Kontaktierebene
- 27
- Kontaktierfläche
- 28
- Hauptebene
- 29
- Aussparung für Gatefinger
