DE102022211785A1

DE102022211785A1 - Leistungsmodul

Info

Publication number: DE102022211785A1
Application number: DE102022211785.9A
Authority: DE
Inventors: Wei Liu
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-11-08
Filing date: 2022-11-08
Publication date: 2024-05-08

Abstract

Es wird ein Leistungsmodul (20) bereitgestellt. Das Leistungsmodul (20) umfasst: einen Träger (22); mindestens einen Halbleiterchip (24, 26), der auf dem Träger (22) angeordnet ist; eine Elektrodenplatte (60), die auf dem Halbleiterchip (24, 26) angeordnet ist, sich über diesen erstreckt und elektrisch damit gekoppelt ist; wobei die Elektrodenplatte (60) eine erste Kupferschicht (32), die dem Halbleiterchip (24, 26) zugekehrt ist, und eine erste Aluminiumschicht (34), die dem Halbleiterchip (24, 26) abgekehrt ist, umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul.
Ein herkömmliches Leistungsmodul kann einen Träger, mindestens einen auf dem Träger montierten Halbleiterchip und eine Elektrodenplatte umfassen, die mit dem Halbleiterchip elektrisch gekoppelt ist und sich über diesen erstreckt. Der Träger kann ein DBC-Substrat (DBC - direct bonded copper, direkt gebondetes Kupfer) oder ein IMS (IMS - insulated metal substrate, isoliertes Metallsubstrat) umfassen. Der Halbleiterchip kann als eine Hochgeschwindigkeitsschaltvorrichtung konfiguriert sein. Der Halbleiterchip kann als eine Hochleistungshalbleitervorrichtung konfiguriert sein. Das Leistungsmodul kann zwei oder mehr der Halbleiterchips umfassen, die auf dem Träger angeordnet sind. Die Elektrodenplatte kann zum elektrischen Kontaktieren der Halbleiterchips und/oder als ein Wärmespreizer konfiguriert sein.
Mit fortschreitender technischer Entwicklung werden die Halbleiterchips immer kleiner. Jedoch müssen die Halbleiterchips die gleichen oder sogar höhere Ströme als zuvor handhaben. Somit wird eine Leistungsdichte in den Halbleiterchips immer größer. Diese steigende Leistungsdichte führt zu einer erhöhten Erzeugung von Wärme während des Betriebs der Leistungsmodule. Die Wärme kann die Halbleiterchips und/oder Funktionen der Halbleiterchips beeinträchtigen, insbesondere wenn die Halbleiterchips z. B. auf SiC, GaN oder GaO basieren und/oder wenn die Halbleiterchips eine oder mehrere Schaltvorrichtungen, z. B. Hochgeschwindigkeitsschaltvorrichtungen, bilden. Dies kann zu einer Verringerung der Lebensdauer, der Zuverlässigkeit und/oder der Leistungsfähigkeit der Halbleiterchips und somit des entsprechenden Leistungsmoduls führen.
Die Elektrodenplatte kann Kupfer umfassen oder daraus hergestellt sein. Je dicker die Kupferelektrodenplatte ist, desto besser ist die Wärmeabführung von dem Halbleiterchip und somit die Kühlung des Halbleiterchips. Je dicker die Elektrodenplatte ist, desto mehr Kupfer wird jedoch benötigt, desto schwerer ist das Leistungsmodul und desto höher sind die Kosten.
Daher besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Leistungsmodul bereitzustellen, das eine lange Lebensdauer, eine gute Zuverlässigkeit und/oder eine hohe Leistungsfähigkeit aufweist und das insbesondere eine sehr gute Wärmeabführung von einem Halbleiterchip des Leistungsmoduls, insbesondere zu geringen Kosten, bereitstellt.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen angeführt.
Ein Aspekt betrifft ein Leistungsmodul. Das Leistungsmodul umfasst: einen Träger; mindestens einen Halbleiterchip, der auf dem Träger angeordnet ist; eine Elektrodenplatte, die auf dem Halbleiterchip angeordnet ist, sich über diesen erstreckt und elektrisch damit gekoppelt ist; wobei die Elektrodenplatte eine erste Kupferschicht, die dem Halbleiterchip zugekehrt ist, und eine erste Aluminiumschicht, die dem Halbleiterchip abgekehrt ist, umfasst.
Die Verwendung der ersten Kupferschicht und der ersten Aluminiumschicht zum Bereitstellen der Elektrodenplatte bringt mehrere Vorteile gegenüber dem Stand der Technik mit sich, indem eine entsprechende Elektrodenplatte nur durch eine Aluminiumschicht oder eine Kupferschicht bereitgestellt werden kann. Insbesondere ist die die erste Kupfer- und Aluminiumschicht umfassende Elektrodenplatte kostengünstiger und leichter als eine entsprechende nur Kupfer umfassende Elektrodenplatte. Ferner ist die die erste Kupfer- und Aluminiumschicht umfassende Elektrodenplatte leichter als eine entsprechende nur Kupfer umfassende Elektrodenplatte. Ein Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE, Coefficient of Thermal Expansion) von Kupfer liegt näher an einem CTE des Halbleiterchips als an einem CTE von Aluminium. Daher gibt es zwischen der Elektrodenplatte und dem Halbleiterchip weniger Wärmespannung als bei einer nur Aluminium umfassenden Elektrodenplatte. Da eine Wärmeleitfähigkeit von Kupfer besser als eine Wärmeleitfähigkeit von Aluminium ist, kann ferner die die erste Kupfer- und Aluminiumschicht umfassende Elektrodenplatte eine bessere Wärmeabführung von dem Halbleiterchip als bei Verwendung einer Elektrodenplatte, die nur Aluminium umfasst, bereitstellen.
Die erste Kupferschicht und die erste Aluminiumschicht sind parallel zueinander gebildet und angeordnet. Die erste Kupferschicht und die erste Aluminiumschicht können über die gesamte Erstreckung der kleineren von der ersten Kupferschicht und der ersten Aluminiumschicht fest miteinander gekoppelt sein. Mit anderen Worten kann die größere der ersten Kupferschicht und der ersten Aluminiumschicht die andere vollständig überlappen. Die erste Kupferschicht und die erste Aluminiumschicht können direkt miteinander gekoppelt sein. Dies kann in diesem Zusammenhang bedeuten, dass sich die erste Kupferschicht und die erste Aluminiumschicht physisch berühren können und/oder dass zwischen der ersten Kupferschicht und der ersten Aluminiumschicht kein anderes Material vorgesehen sein kann. Die erste Kupferschicht und die erste Aluminiumschicht können sich beide über den Halbleiterchip, z. B. über den gesamten Halbleiterchip, erstrecken. Wenn zwei oder mehr Halbleiterchips durch eine Elektrodenplatte elektrisch miteinander gekoppelt sind, können sich die entsprechende Kupfer- und Aluminiumschicht beide über die zwei oder mehr Halbleiterchips erstrecken. Eine Gesamtdicke der Elektrodenplatte kann zwischen 0,5 mm und 10 mm, z. B. zwischen 1 mm und 5 mm, liegen, wobei die erste Kupferschicht und die erste Aluminiumschicht die gleiche oder verschiedene Dicken umfassen können.
Somit kann die die erste Kupfer- und Aluminiumschicht umfassende Elektrodenplatte zu einer ordnungsgemäßen Kühlung des Halbleiterchips beitragen. Insbesondere können die erste Kupfer- und Aluminiumschicht eine sehr gute Wärmeabführung von dem Halbleiterchip des Leistungsmoduls bereitstellen. Dies kann zu einer sehr geringen Betriebstemperatur des Halbleiterchips und dadurch des Leistungsmoduls führen. Das Betreiben des Halbleiterchips und des Leistungsmoduls bei einer niedrigen Betriebstemperatur verglichen mit dem Stand der Technik kann zu einer langen Lebensdauer, guter Zuverlässigkeit und/oder hohen Leistung des Halbleiterchips bzw. des Leistungsmoduls beitragen. Aufgrund des geringen Gewichts des Aluminiums kann die Elektrodenplatte ferner leichter als eine in der Technik bekannte Elektrodenplatte sein. Aufgrund des geringen elektrischen Widerstands des Kupfers kann ferner weniger Wärme als bei einer in der Technik bekannten Elektrodenplatte erzeugt werden. Da weniger Wärmespannung erzeugt wird, kann/können ferner die Lebensdauer und/oder die Zuverlässigkeit erhöht werden.
Der Halbleiterchip kann SiC, GaN oder GaO umfassen. Das Leistungsmodul kann zwei oder mehr entsprechende Halbleiterchips umfassen. Einer oder mehrere der Halbleiterchips umfassen zwei oder mehr elektrische Kontakte pro Halbleiterchip. Zum Beispiel umfassen ein oder mehrere der Halbleiterchips einen oder mehrere Gate-Kontakte, einen oder mehrere Source-Kontakte, einen oder mehrere Drain-Kontakte und/oder einen oder mehrere Substratkontakte.
Gemäß einer Ausführungsform ist die erste Kupferschicht durch Lot mit dem Halbleiterchip gekoppelt. Alternativ kann die Kupferschicht durch Sintern oder durch Kleben mit dem Halbleiterchip gekoppelt sein. Dies kann zu einer ordnungsgemäßen elektrischen, thermischen und mechanischen Kopplung der Elektrodenplatte mit dem Halbleiterchip beitragen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die erste Kupferschicht einen oder mehrere Vorsprünge auf einer Seite der ersten Kupferschicht, die dem Halbleiterchip abgekehrt ist, wobei sich die Vorsprünge von dem Halbleiterchip weg erstrecken können. Die Vorsprünge können eine Oberfläche einer Grenzfläche zwischen der ersten Kupferschicht, die die erste Aluminiumschicht physisch berührt, vergrößern. Dies kann zu einer sehr guten thermischen Kopplung zwischen der ersten Kupfer- und Aluminiumschicht beitragen.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Vorsprünge in der ersten Aluminiumschicht eingebettet. Mit anderen Worten können die Vorsprünge von dem Material der Aluminiumschicht umgeben sein und/oder können sich in die erste Aluminiumschicht erstrecken.
Gemäß einer Ausführungsform weist mindestens einer der Vorsprünge eine Form aus einer Gruppe von Formen auf, wobei die Gruppe eine rechteckige Form, eine konvexe Form, eine dreieckige Form, eine konische Form und eine Pyramidenform umfasst. Die konvexe Form kann auch als Kuppelform oder gewölbte Form bezeichnet werden. Vorzugsweise weisen alle Vorsprünge die gleiche Form auf.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die erste Kupferschicht einen ersten lateralen Vorsprung. Der erste laterale Vorsprung kann als Anschluss zur elektrischen Kopplung der Elektrodenplatte, z. B. mit einer Treiberplatine des Leistungsmoduls, konfiguriert sein und/oder dazu verwendet werden. „Lateral“ kann in diesem Zusammenhang parallel zu einer Haupterstreckungsrichtung der ersten Kupfer- und Aluminiumschicht und/oder rechtwinklig zu einer Richtung, in der die Komponenten des Leistungsmoduls, z. B. der Träger, der Halbleiterchip und die Elektrodenplatte, aufeinandergestapelt sind, bedeuten.
Gemäß einer Ausführungsform ist der erste laterale Vorsprung zum elektrischen Kontaktieren der Elektrodenplatte konfiguriert. Wahlweise kann das Leistungsmodul zwei oder mehr erste laterale Vorsprünge umfassen, wobei die ersten lateralen Vorsprünge als DC- und AC-Anschlüsse des Leistungsmoduls verwendet werden können. Ferner können ein oder mehrere der ersten lateralen Vorsprünge als entsprechende ein oder mehrere Signalpins zum Steuern der Halbleiterchips verwendet werden. Ein laterales Ende des ersten lateralen Vorsprungs bzw. der ersten lateralen Vorsprünge kann als ein Stecker für eine vorbestimmte Buchse oder als eine Buchse für einen vorbestimmten Stecker gebildet sein.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die erste Aluminiumschicht einen zweiten lateralen Vorsprung. Somit können die lateralen Vorsprünge durch die Kupferschicht oder durch die Aluminiumschicht bereitgestellt werden. Der zweite laterale Vorsprung kann als Anschluss zur elektrischen Kopplung der Elektrodenplatte z. B. mit einer Treiberplatine des Leistungsmoduls konfiguriert sein und/oder verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist der zweite laterale Vorsprung zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenplatte konfiguriert. Wahlweise kann das Leistungsmodul zwei oder mehr zweite laterale Vorsprünge umfassen, wobei die zweiten lateralen Vorsprünge als DC- und AC-Anschlüsse des Leistungsmoduls verwendet werden können. Ferner können ein oder mehrere der ersten lateralen Vorsprünge als entsprechende ein oder mehrere Signalpins zum Steuern der Halbleiterchips verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Träger eine zweite Aluminiumschicht und eine zweite Kupferschicht auf der zweiten Aluminiumschicht; und der Halbleiterchip ist auf der zweiten Kupferschicht angeordnet. Mit anderen Worten kann der Träger gemäß der Elektrodenplatte gebildet sein. In diesem Zusammenhang kann der Träger auch als Elektrodenplatte, z. B. als untere Elektrodenplatte, bezeichnet werden, während die vorstehende Elektrodenplatte in diesem Zusammenhang als obere Elektrodenplatte bezeichnet werden kann. Somit kann/können der/die Halbleiterchip(s) zwischen den beiden Elektrodenplatten angeordnet sein, die jeweils eine Kupferschicht, d. h. die erste und zweite Kupferschicht, die dem/den Halbleiterchip(s) zugekehrt sind, und eine Aluminiumschicht, d. h. die erste und zweite Aluminiumschicht, die den Halbleiterchips abgekehrt sind, umfassen. Die vorstehenden Merkmale und Ausführungsformen der oberen Elektrodenplatte können auf entsprechende Ausführungsformen der unteren Elektrodenplatte übertragen werden. Zum Beispiel kann die untere Elektrodenplatte auch die Vorsprünge und/oder den/die lateralen Vorsprung/Vorsprünge umfassen.
Alternativ kann der Träger eine elektrisch leitende erste Schicht, eine elektrisch isolierende zweite Schicht unter der ersten Schicht und eine elektrisch leitende dritte Schicht unter der zweiten Schicht umfassen. In diesem Zusammenhang kann der Träger ein direkt gebondetes Kupfersubstrat oder ein isoliertes Metallsubstrat umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Elektrodenplatte eine dritte Kupferschicht, die auf der ersten Aluminiumschicht auf einer Seite der ersten Aluminiumschicht, die dem Halbleiterchip abgekehrt ist, angeordnet ist. Somit kann die erste Aluminiumschicht zwischen der ersten Kupferschicht und der dritten Kupferschicht angeordnet sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Halbleiterchip ein Hochleistungshalbleiterchip. Der Hochleistungshalbleiterchip kann dazu konfiguriert sein, hohe Spannungen, zum Beispiel von mehr als 100 V, und/oder hohe Ströme, zum Beispiel von mehr als 10 A, zu verarbeiten.
Darüber hinaus kann das Leistungsmodul eine Treiberplatine umfassen. Die Treiberplatine kann neben oder über der Elektrodenplatte angeordnet sein. Die Treiberplatine kann mindestens ein elektronisches Bauteil zum Ansteuern des Halbleiterchips umfassen, wobei das elektronische Bauteil mit dem Halbleiterchip elektrisch gekoppelt sein kann. Die Treiberplatine kann eine Leiterplatte sein. Die Treiberplatine kann eine oder mehrere elektrische Leitungen, die die elektrischen Kontakte der Treiberplatine mit einem oder mehreren Anschlüssen zum Koppeln des Leistungsmoduls mit einer externen Vorrichtung verbinden, umfassen. Das elektronische Bauteil kann zum Ansteuern der Halbleiterchips konfiguriert sein. Das elektronische Bauteil kann ein aktives elektronisches Bauteil und/oder ein passives elektronisches Bauteil umfassen. Das passive elektronische Bauteil kann einen oder mehrere Widerstände, einen oder mehrere Kondensatoren und/oder einen oder mehrere Leiter umfassen. Das aktive elektronische Bauteil kann einen oder mehrere Chips und/oder einen oder mehrere Transistoren umfassen. Ferner kann das Leistungsmodul einen oder mehrere Anschlüsse zum elektrischen Koppeln des Leistungsmoduls mit der externen Vorrichtung umfassen. Der Anschluss kann mit dem Träger und/oder einem Gehäuse des Leistungsmoduls mechanisch gekoppelt sein. Ein oder mehrere der Anschlüsse können durch die lateralen Vorsprünge einer der Schichten einer der Elektrodenplatten bereitgestellt werden.
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 angehängten Zeichnungen detaillierter beschrieben.

1 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Leistungsmoduls.
2 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer Elektrodenplatte des Leistungsmoduls von 1.
3 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer Elektrodenplatte des Leistungsmoduls von 1.
4 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer Elektrodenplatte des Leistungsmoduls von 1.
5 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer Elektrodenplatte des Leistungsmoduls von 1.
6 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer Elektrodenplatte des Leistungsmoduls von 1.
7 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer Elektrodenplatte des Leistungsmoduls von 1.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und ihre Bedeutungen sind in zusammenfassender Form in der nachfolgenden Bezugszeichenliste aufgeführt. Grundsätzlich sind in den Figuren identische Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Leistungsmoduls 20. Das Leistungsmodul 20 umfasst einen Träger 22, mindestens einen Halbleiterchip, z. B. einen ersten Halbleiterchip 24 und einen zweiten Halbleiterchip 26, die auf dem Träger 22 angeordnet sind, und eine Elektrodenplatte 30, die mit den Halbleiterchips 44, 26 elektrisch gekoppelt und darüber angeordnet ist. Ferner kann das Leistungsmodul 20 einen Anschluss 48 umfassen, der z. B. durch ein oder mehrere Drahtbonds 54 mit den Halbleiterchips 24, 26 gekoppelt sein kann. Das Leistungsmodul 20 kann eine oder mehrere Halbbrücken bereitstellen, die in einem Wechselrichter und/oder einem Gleichrichter verwendet werden können.
Die Elektrodenplatte 30 erstreckt sich über mindestens einen der Halbleiterchips 24, 26, z. B. über beide Halbleiterchips 24, 26. Die Elektrodenplatte 30 umfasst eine erste Kupferschicht 32, die den Halbleiterchips 24, 26 zugekehrt ist, und eine erste Aluminiumschicht 34, die den Halbleiterchips 24, 26 abgekehrt ist. Die erste Kupferschicht 32 und die erste Aluminiumschicht 34 können sich beide über beide Halbleiterchips 24, 26 erstrecken. Die erste Kupferschicht 32 und die erste Aluminiumschicht 34 sind parallel zueinander gebildet und angeordnet. Die erste Kupferschicht 32 und die erste Aluminiumschicht 34 können über die gesamte Erstreckung der kleineren von der ersten Kupferschicht 32 und der ersten Aluminiumschicht 34 fest gekoppelt sein. Mit anderen Worten kann die größere der ersten Kupferschicht 32 und der ersten Aluminiumschicht 34 die andere vollständig überlappen. Die erste Kupferschicht 32 und die erste Aluminiumschicht 34 können direkt miteinander gekoppelt sein. Dies kann in diesem Zusammenhang bedeuten, dass sich die erste Kupferschicht 32 und die erste Aluminiumschicht 34 physisch berühren können und/oder dass zwischen der ersten Kupferschicht 32 und der ersten Aluminiumschicht 34 kein anderes Material vorgesehen sein kann. Die erste Kupferschicht 32 kann durch Lot mit den Halbleiterchips 24, 26 gekoppelt sein. Alternativ kann die erste Kupferschicht 32 durch Sintern oder durch Kleben mit den Halbleiterchips 24, 46 gekoppelt sein. Eine Gesamtdicke der Elektrodenplatte 30 kann zwischen 0,5 mm und 10 mm, z. B. zwischen 1 mm und 5 mm, liegen.
Die erste Kupferschicht 32 kann einen ersten lateralen Vorsprung 42 umfassen. Der erste laterale Vorsprung 42 kann als Anschluss zur elektrischen Kopplung der Elektrodenplatte 30, z. B. mit einer Treiberplatine (nicht gezeigt) des Leistungsmoduls 20, oder mit einer externen Vorrichtung (nicht gezeigt) konfiguriert sein und/oder dazu verwendet werden. Der erste laterale Vorsprung 42 kann zum elektrischen Kontaktieren der Elektrodenplatte 30 konfiguriert werden. Wahlweise kann das Leistungsmodul 20 zwei oder mehr erste laterale Vorsprünge 42 umfassen, wobei die ersten lateralen Vorsprünge 42 als DC- oder AC-Anschlüsse des Leistungsmoduls 20 verwendet werden können. Ferner können ein oder mehrere der ersten lateralen Vorsprünge 42 als entsprechende ein oder mehrere Signalpins zum Steuern der Halbleiterchips 24, 26 verwendet werden.
Der Träger 22 kann eine zweite Aluminiumschicht 38 und eine zweite Kupferschicht 36 auf der zweiten Aluminiumschicht 38 umfassen. Die Halbleiterchips 24, 26 können auf der zweiten Kupferschicht 36 angeordnet sein. Mit anderen Worten kann der Träger 22 gemäß der obigen Elektrodenplatte 30 gebildet sein. In diesem Zusammenhang kann der Träger 22 auch als Elektrodenplatte, z. B. als untere Elektrodenplatte, bezeichnet werden, während die vorstehende Elektrodenplatte 30 als obere Elektrodenplatte bezeichnet werden kann. Somit können die Halbleiterchips 24, 26 zwischen den beiden Elektrodenplatten 22, 30 angeordnet sein, die jeweils eine Kupferschicht, d. h. die erste und zweite Kupferschicht 32, 36, die den Halbleiterchips 24, 26 zugekehrt sind, und eine Aluminiumschicht, d. h. die erste und zweite Aluminiumschicht 34, 38, die den Halbleiterchips 24, 26 abgekehrt sind, umfassen. Die obere und die untere Elektrodenplatte 30, 32 können eine beidseitige Kühlung der Halbleiterchips 24, 26 bereitstellen. Zum Beispiel kann der Träger 22, d. h. die untere Elektrodenplatte, auch einen oder mehrere der lateralen Vorsprünge 42 umfassen, der bzw. die als Anschluss/Anschlüsse zum elektrischen Koppeln des Trägers 22 z. B. mit der Treiberplatine oder mit der externen Vorrichtung verwendet werden kann/können.
Die Elektrodenplatte 30 und/oder der Träger 22 können durch Pressen einer Kupferplatte gegen die entsprechende Aluminiumschicht gebildet werden, wobei die Aluminiumschicht halbgeschmolzen sein kann und wobei die auf die Aluminiumschicht gepresste Kupferplatte die entsprechende Kupferschicht bildet. Die Kupferplatte kann unter hohem Druck, z. B. durch eine oder mehrere Gießwalzen, gegen die Aluminiumschicht gepresst werden.
Ein oder mehrere der Halbleiterchips 24, 26 können ein oder mehrere elektrische Kontakte (nicht gezeigt) pro Halbleiterchip 24, 26 umfassen. Zum Beispiel können ein oder mehrere der Halbleiterchips 24, 26 einen oder mehrere Gate-Kontakte, einen oder mehrere Source-Kontakte, einen oder mehrere Drain-Kontakte und/oder einen oder mehrere Substratkontakte umfassen. Mindestens einer der Halbleiterchips 24, 26 des Leistungsmoduls 20 kann ein Hochleistungshalbleiterchip sein. Der Hochleistungshalbleiterchip kann dazu konfiguriert sein, hohe Spannungen, zum Beispiel von mehr als 100 V, und/oder hohe Ströme, zum Beispiel von mehr als 10 A, zu verarbeiten. Der Halbleiterchip kann SiC, GaN oder GaO umfassen.
Der Anschluss 48, wahlweise ein oder mehrere weitere Anschlüsse (nicht gezeigt), und/oder die lateralen Vorsprünge 42 kann/können zum Koppeln des Leistungsmoduls 22 mit einer oder mehreren der externen Vorrichtungen, z. B. mit einer Steuerung zum Steuern des Leistungsmoduls 20 und/oder einer mit Energie durch das Leistungsmodul 20 versorgten Last, z. B. eines Elektromotors oder Aktors, und/oder einer Energiequelle, z. B. dem Netz oder einem Generator, konfiguriert sein. Zum Beispiel kann das Leistungsmodul 20 zwei DC-Anschlüsse und einen AC-Anschluss umfassen, wobei mindestens einer dieser Anschlüsse durch den Anschluss 48 und/oder die lateralen Vorsprünge 42 repräsentiert sein kann. Die DC-Anschlüsse können einen DC^--Anschluss und einen DC⁺-Anschluss umfassen.
Das Leistungsmodul 20 kann ein Gehäuse 52 zum Schützen der anderen Bauteile des Leistungsmoduls 20 umfassen. Das Gehäuse 52 kann durch Formen bereitgestellt und/oder durch einen Formkörper gebildet werden. Das Gehäuse 52 kann ein Harz umfassen oder daraus hergestellt sein. Der Anschluss bzw. die Anschlüsse 48 kann/können zumidnest teilweise in dem Gehäuse 52 eingebettet sein.
Das Leistungsmodul 20 kann eine Treiberplatine (nicht gezeigt) umfassen. Die Treiberplatine kann neben oder über der Elektrodenplatte 30 und den Halbleiterchips 24, 26 angeordnet sein. Die Treiberplatine kann mindestens ein elektronisches Bauteil zum Ansteuern der Halbleiterchips 24, 26 umfassen, wobei das elektronische Bauteil mit den Halbleiterchips 24, 26 elektrisch gekoppelt sein kann. Die Treiberplatine kann eine Leiterplatte sein. Die Treiberplatine kann eine oder mehrere elektrische Leitungen, die die elektrischen Kontakte der Treiberplatine mit einem oder mehreren Anschlüssen zum Koppeln des Leistungsmoduls 20 mit einer externen Vorrichtung verbinden, umfassen. Das elektronische Bauteil kann zum Ansteuern der Halbleiterchips 24, 26 konfiguriert sein. Das elektronische Bauteil kann ein aktives elektronisches Bauteil und/oder ein passives elektronisches Bauteil umfassen. Das passive elektronische Bauteil kann einen oder mehrere Widerstände, einen oder mehrere Kondensatoren und/oder einen oder mehrere Leiter umfassen. Das aktive elektronische Bauteil kann einen oder mehrere Chips und/oder einen oder mehrere Transistoren umfassen.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 2 bis 7 verschiedene Ausführungsformen der Elektrodenplatte 30 erläutert. Der Träger 22 kann entsprechend konfiguriert sein. Eine entsprechende Beschreibung bezüglich des Trägers 22 kann jedoch weggelassen sein, um jegliche unnötigen Wiederholungen zu vermeiden, und die Merkmale und Ausführungsformen der Elektrodenplatte 30 können auf den Träger 22 als Merkmale und Ausführungsformen des Trägers 22 übertragen werden.
2 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Elektrodenplatte 30 des Leistungsmoduls 20 von 1. Die erste Kupferschicht 32 kann einen oder mehrere Vorsprünge 40 auf einer Seite der ersten Kupferschicht 32 umfassen, die den Halbleiterchips 24, 26 abgekehrt ist, wobei sich die Vorsprünge 40 von den Halbleiterchips 24, 26 weg erstrecken können. Die Vorsprünge 40 können eine Oberfläche einer Grenzfläche zwischen der ersten Kupferschicht 32, die die erste Aluminiumschicht 34 physisch berührt, vergrößern. Die Vorsprünge 40 können in der ersten Aluminiumschicht 34 eingebettet sein. Mit anderen Worten können die Vorsprünge 40 von dem Material der ersten Aluminiumschicht 34 umgeben sein und/oder können sich in die erste Aluminiumschicht 34 erstrecken. Die Vorsprünge 40 können eine rechteckige Form aufweisen. Zum Beispiel können alle der Vorsprünge 40 die gleiche Form aufweisen.
3 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Elektrodenplatte 30 des Leistungsmoduls 20 von 1. Die in 3 gezeigte Elektrodenplatte 30 kann der oben erläuterten Elektrodenplatte 30 weitgehend entsprechen. Daher werden nachfolgend nur jene Merkmale der Elektrodenplatte 30 erläutert, in denen sich die in 3 gezeigte Elektrodenplatte 30 von der obigen Elektrodenplatte 30 unterscheidet. Bei der Ausführungsform von 3 können die Vorsprünge 40 eine konvexe Form aufweisen. Die konvexe Form kann als Kuppelform oder gewölbte Form bezeichnet werden.
4 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Elektrodenplatte 30 des Leistungsmoduls 20 von 1. Die in 4 gezeigte Elektrodenplatte 30 kann einer der oben erläuterten Elektrodenplatten 30 weitgehend entsprechen. Daher werden nachfolgend nur jene Merkmale der Elektrodenplatte 30 erläutert, in denen sich die in 4 gezeigte Elektrodenplatte 30 von den obigen Elektrodenplatten 30 unterscheidet. Bei der Ausführungsform von 4 können die Vorsprünge 40 eine dreieckige Form aufweisen. Alternativ können die Vorsprünge eine Pyramiden- oder konische Form aufweisen.
5 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Elektrodenplatte 30 des Leistungsmoduls 20 von 1. Die in 5 gezeigte Elektrodenplatte 30 kann einer der oben erläuterten Elektrodenplatten 30 weitgehend entsprechen. Daher werden nachfolgend nur jene Merkmale der Elektrodenplatte 30 erläutert, in denen sich die in 5 gezeigte Elektrodenplatte 30 von den obigen Elektrodenplatten 30 unterscheidet. Bei der Ausführungsform von 5 kann die Elektrodenplatte 30 eine dritte Kupferschicht 44 umfassen, die auf der ersten Aluminiumschicht 34 auf einer Seite der ersten Aluminiumschicht 34, die den Halbleiterchips 24, 26 abgekehrt ist, angeordnet ist. Somit kann die erste Aluminiumschicht 34 zwischen der ersten Kupferschicht 32 und der dritten Kupferschicht 44 angeordnet sein.
6 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Elektrodenplatte des Leistungsmoduls 20 von 1. Die in 6 gezeigte Elektrodenplatte 30 kann einer der oben erläuterten Elektrodenplatten 30 weitgehend entsprechen. Daher werden nachfolgend nur jene Merkmale der Elektrodenplatte 30 erläutert, in denen sich die in 6 gezeigte Elektrodenplatte 30 von den obigen Elektrodenplatten 30 unterscheidet. Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform kann die erste Aluminiumschicht 34 einen lateralen Vorsprung umfassen, der als ein zweiter lateraler Vorsprung 46 bezeichnet werden kann. Der zweite laterale Vorsprung 46 kann z. B. als eine Alternative oder zusätzlich zu dem ersten lateralen Vorsprung 42 als der erste laterale Vorsprung 42 verwendet werden und/oder konfiguriert sein.
Wahlweise kann die erste Aluminiumschicht 34 einen zweiten lateralen Vorsprung 46 umfassen. Somit können die lateralen Vorsprünge 42, 46 durch die erste Kupferschicht 32 oder durch die erste Aluminiumschicht 34 bereitgestellt werden. Der zweite laterale Vorsprung 46 kann als Anschluss zum elektrischen Koppeln der Elektrodenplatte 30, z. B. mit der Treiberplatine des Leistungsmoduls 20, konfiguriert sein und/oder verwendet werden.
7 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Elektrodenplatte 30 des Leistungsmoduls 20 von 1. Die erste Aluminiumschicht 34 kann einen zweiten lateralen Vorsprung 46 umfassen. Somit können die lateralen Vorsprünge 42, 46 durch die erste Kupferschicht 32 oder durch die erste Aluminiumschicht 34 bereitgestellt werden. Der zweite laterale Vorsprung 46 kann als Anschluss zum elektrischen Koppeln der Elektrodenplatte 30, z. B. mit der Treiberplatine des Leistungsmoduls 20, konfiguriert sein und/oder verwendet werden.
Die in 7 gezeigte Elektrodenplatte 30 kann eine Kombination aus den in den 2 und 6 gezeigten Elektrodenplatten darstellen und kann dafür repräsentativ sein, dass die verschiedenen Ausführungsformen der Elektrodenplatte 30 kombiniert werden können. Insbesondere kann die Elektrodenplatte 30, die den zweiten lateralen Vorsprung 46, d. h. den durch die erste Aluminiumschicht 34 bereitgestellten lateralen Vorsprung, umfasst, die im Zusammenhang mit der Elektrodenplatte 30, die den ersten lateralen Vorsprung 42 umfasst, erläuterten Vorsprünge 40 umfassen.
Die Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt. Zum Beispiel kann das Leistungsmodul 20 mehr oder weniger Halbleiterchips 24, 26 umfassen. Ferner können die Halbleiterchips 24, 26 mehr oder weniger elektrische Kontakte umfassen. Ferner kann das Leistungsmodul 20 einen oder mehrere weitere Anschlüsse 48 oder laterale Vorsprünge 42, 46 zum elektrischen Koppeln der Halbleiterchips 24, 26 mit der externen Vorrichtung bzw. der Treiberplatine umfassen.
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; die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Variationen der offenbarten Ausführungsformen können von dem Fachmann bei Ausübung der beanspruchten Erfindung anhand einer genauen Betrachtung der Zeichnungen, der Offenbarung und der angehängten Ansprüche weitere erkannt und ausgeführt werden. 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 kann die Funktionen mehrerer in den Ansprüchen angeführter Elemente erfüllen. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in verschiedenen voneinander abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind, bedeutet nicht, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht zum Vorteil genutzt werden kann. Jegliche Bezugszeichen in den Ansprüchen sollten nicht als den Schutzumfang einschränkend ausgelegt werden.
Bezugszeichenliste

20: Leistungsmodul
22: Träger
24: erster Halbleiterchip
26: zweiter Halbleiterchip
30: Elektrodenplatte
32: erste Kupferschicht
34: erste Aluminiumschicht
36: zweite Kupferschicht
38: zweite Aluminiumschicht
40: Vorsprünge
42: erster lateraler Vorsprung
44: dritte Kupferschicht
46: zweiter lateraler Vorsprung

Claims

Leistungsmodul (20), umfassend einen Träger (22); mindestens einen Halbleiterchip (24, 26), der auf dem Träger (22) angeordnet ist; eine Elektrodenplatte (60), die auf dem Halbleiterchip (24, 26) angeordnet ist, sich über diesen erstreckt und elektrisch damit gekoppelt ist; wobei die Elektrodenplatte (60) eine erste Kupferschicht (32), die dem Halbleiterchip (24, 26) zugekehrt ist, und eine erste Aluminiumschicht (34), die dem Halbleiterchip (24, 26) abgekehrt ist, umfasst.
Leistungsmodul (20) nach Anspruch 1, wobei die erste Kupferschicht (32) durch Löten, Sintern oder Kleben mit dem Halbleiterchip (24, 26) gekoppelt ist.
Leistungsmodul (20) nach Anspruch 2, wobei die erste Kupferschicht (32) einen oder mehrere Vorsprünge (40) auf einer Seite der ersten Kupferschicht (32), die dem Halbleiterchip (24, 26) abgekehrt ist, umfasst, wobei sich die Vorsprünge (40) von dem Halbleiterchip (24, 26) weg erstrecken.
Leistungsmodul (20) nach Anspruch 3, wobei die Vorsprünge (40) in der ersten Aluminiumschicht (34) eingebettet sind.
Leistungsmodul (20) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei mindestens einer der Vorsprünge (40) eine Form aus einer Gruppe von Formen aufweist, wobei die Gruppe eine rechteckige Form, eine konvexe Form, eine dreieckige Form, eine konische Form und eine Pyramidenform umfasst.
Leistungsmodul (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Kupferschicht (32) einen ersten lateralen Vorsprung (42) umfasst.
Leistungsmodul (20) nach Anspruch 6, wobei der erste laterale Vorsprung (42) zum elektrischen Kontaktieren der Elektrodenplatte (60) konfiguriert ist.
Leistungsmodul (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Aluminiumschicht (34) einen zweiten lateralen Vorsprung (46) umfasst.
Leistungsmodul (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite laterale Vorsprung (46) zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenplatte (60) konfiguriert ist.
Leistungsmodul (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Träger eine zweite Aluminiumschicht (38) und eine zweite Kupferschicht (36) auf der zweiten Aluminiumschicht (38) umfasst; und der Halbleiterchip (24, 26) auf der zweiten Kupferschicht (36) angeordnet ist.
Leistungsmodul (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrodenplatte (60) eine dritte Kupferschicht (44), die auf der ersten Aluminiumschicht (34) auf einer Seite der ersten Aluminiumschicht (34), die dem Halbleiterchip (24, 26) abgekehrt ist, angeordnet ist, umfasst.
Leistungsmodul (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterchip (24, 26) ein Hochleistungshalbleiterchip ist.