DE10244748A1 - Leistungshalbleitermodul und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents
Leistungshalbleitermodul und Verfahren zur Herstellung desselbenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul (10, 20, 24) mit einem oder einer Mehrzahl parallel oder in Reihe geschalteter Leistungshalbleiter-Chips (16, 26, 28) und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Erfindungsgemäß sind die Leistungshalbleiter-Chips (16, 26, 28) mit Metallbügeln (18, 32, 34) hoher Stromtragfähigkeit kontaktiert, die im Fehlerfall das Fließen eines Kurzschlussstroms über einen ausgefallenen Leistungshalbleiter-Chip (16, 26, 28) erlauben, wobei die Kontaktierung zwischen den Metallbügeln (18, 32, 34) und den Leistungshalbleiter-Chips (16, 26, 28) so ausgeführt ist, dass auf die Leistungshalbleiter-Chips (16, 26, 28) zu keiner Zeit eine vertikale Druckbelastung wirkt. Somit bilden ausgefallene Leistungshalbleiter-Chips (16, 26, 28) eines Leistungshalbleitermoduls (10, 20, 24) im Fehlerfall einen sicheren Kurzschluss.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit einem oder einer Mehrzahl parallel oder in Reihe geschalteter Leistungshalbleiter-Chips sowie ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Leistungshalbleitermoduls.
- Leistungshalbleiter, wie etwa MOSFET-Transistoren, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) oder GTO (Gate-Turn-Off)- Thyristoren weisen stets eine begrenzte maximale Sperrspannung auf. Um hohe Spannungen, wie sie etwa bei der Energieübertragung erforderlich sind, beispielsweise 20 kV bis 500 kv, schalten zu können, ist es daher erforderlich, mehrere solcher Leistungshalbleiter in einem Stromrichterventil in Reihe zu schalten.
- Damit bei einem Ausfall eines der Leistungshalbleiter in einer solchen Reihenschaltung nicht die ganze Anlage abgeschaltet werden muss, ist erforderlich, dass der ausgefallene Halbleiterschalter einen sicheren Kurzschluss bildet, so dass der Strom weiterhin über diesen Leistungshalbleiter fließen kann. Der Kurzschluss soll dabei über längere Zeit, insbesondere bis zur nächsten Wartung der Anlage, sicher bestehen. Erforderlich wäre also ein Kurzschluss, der bis zu einem Jahr sicheren Stromfluss gewährleistet.
- Bei herkömmlich verwendeten Standard-IGBT-Modulen ist ein sicherer Kurzschluss nicht gesichert. In der Regel entsteht bei einer Strombelastung eines ausgefallenen Moduls ein Lichtbogen, der eine mechanische Zerstörung des Moduls und eine Verschmutzung der Umgebung zur Folge hat. Dies kann weitere Ausfälle nach sich ziehen und ist daher nicht tolerierbar.
- Heute werden oft entweder so genannte PressPack-Bauelemente oder speziell entwickelte Module für hohe Reihenschaltzahl verwendet. Für viele Anwendungen stellt dabei die Verwendung von IGBTs die beste Lösung dar. Als Massenprodukt hat sich bei den IGBTs eine Modulbauform durchgesetzt, die jedoch, wie oben beschrieben, keinen sicheren Kurzschluss gewährleistet.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Leistungshalbleitermodul anzugeben, bei dem ausgefallene Leistungshalbleiter-Chips im Fehlerfall einen sicheren Kurzschluss bilden.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 und das Verfahren zum Herstellen eines Leistungshalbleitermoduls nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Erfindungsgemäß ist bei einem Leistungshalbleitermodul der eingangs genannten Art vorgesehen, dass die Leistungshalbleiter-Chips mit Metallbügeln hoher Stromtragfähigkeit kontaktiert sind, die im Fehlerfall das Fließen eines Kurzschlussstroms über einen ausgefallenen Leistungshalbleiter- Chip erlauben, wobei die Kontaktierung zwischen den Metallbügeln und den Leistungshalbleiter-Chips so ausgeführt ist, dass auf die Leistungshalbleiter-Chips zu keiner Zeit eine vertikale Druckbelastung wirkt.
- Die Erfindung beruht dabei auf dem Gedanken, ein Leistungshalbleitermodul zu schaffen, das einerseits in wesentlichen Teilen die Merkmale herkömmlicher Massenproduktmodule aufweist und das andererseits einen sicheren Kurzschluss im Fehlerfall gewährleistet. Dadurch kann das erfindungsgemäße Modul trotz seiner neuen Vorteile bei der Kurzschlusssicherheit die Vorzüge eines Massenprodukts, wie einem günstigen Herstellungspreis, der Vielzahl von Anbietern und der Weiterentwicklung der Leistungshalbleiter, erhalten. Im Gegensatz zu den Bonddrähten herkömmlicher Standard-Module ist erfindungsgemäß sichergestellt, dass die Metallbügel aufgrund ihrer hohen Stromtragfähigkeit auch im Fehlerfall nicht wegschmelzen. Durch die Vermeidung einer vertikalen Druckbelastung bei der Kontaktierung der Halbleiterchips bleiben die charakteristischen Eigenschaften der Leistungshalbleiter- Chips unverschlechtert erhalten.
- Innerhalb eines Leistungsmoduls liegt zumeist eine Parallelschaltung der einzelnen Leistungshalbleiter-Chips vor. Die erfindungsgemäße Lösung stellt sicher, dass ein Modul im Fehlerfall bezüglich seiner äußeren Klemmen einen Kurzschluss darstellt, so dass eine Reihenschaltung aus mehreren solcher Module weiter betrieben werden kann. Daneben erfasst die Erfindung auch Gestaltungen, bei denen intern eine Reihenschaltung der Leistungshalbleiter-Chips vorliegt oder bei denen ein Modul nur einen einzigen Leistungshalbleiter-Chip beinhaltet.
- Die Kontaktierung zwischen den Metallbügeln und den Leistungshalbleiter-Chips ist vorteilhaft als Lötverbindung oder als Niedertemperaturverbindung (NTV) ausgeführt.
- In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls ist vorgesehen, dass eine Anschlusselektrode der Leistungshalbleiter-Chips jeweils mit einer Kontaktplatte versehen ist, die mit den Metallbügeln hoher Stromtragfähigkeit kontaktiert ist.
- Die Kontaktplatte kann beispielsweise durch Löten oder durch eine Niedertemperaturverbindung aufgebracht werden. Die Kontaktfläche mit dem Leistungshalbleiter-Chip wird dadurch vergrößert und ein niederohmiger Übergang geschaffen.
- Bei einer anderen bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls ist vorgesehen, dass die Anschlusselektroden von mehreren Leistungshalbleiter-Chips mit einer gemeinsamen Kontaktplatte versehen sind, wobei die Kontaktplatte mit einem oder mehreren Metallbügeln hoher Stromtragfähigkeit kontaktiert ist. Dadurch kann die hohe Stromdichte weiter reduziert werden. Auch hier kann die Kontaktplatte durch Löten oder eine Niedertemperaturverbindung (NTV) aufgebracht werden.
- Die Kontaktplatte ist bei den genannten Gestaltungen mit Vorteil aus Molybdän gebildet.
- In einer zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Moduls sind die Leistungshalbleiter-Chips auf einer gemeinsamen Grundplatte angeordnet.
- Die Leistungshalbleiter sind zweckmäßig durch MOS-gesteuerte Schalter, wie MOSFETs oder IGBTs, oder durch Dioden gebildet. Insbesondere IGBTs haben sich für viele Anwendungen als beste Lösung bewährt. Auch eine Mischung von Schalterchips und Diodenchips in einem Modul liegt im Rahmen der Erfindung.
- Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Zeichnungen.
- Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen schematisch näher erläutert werden. Es sind jeweils nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Dabei zeigen:
- Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch ein IGBT-Modul nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- Fig. 2 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch ein IGBT-Modul nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung und
- Fig. 3 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch ein IGBT-Modul nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
- Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein allgemein mit 10 bezeichnetes IGBT-Modul nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das IGBT-Modul 10 enthält eine Grundplatte 12, auf der über Keramikplatten 14 eine Mehrzahl von IGBT-Chips 16 angebracht sind. Nach einer weiteren Ausführungsvariante kann auf die Keramikplatte 14 verzichtet werden, das heißt, die IGBT-Chips sind direkt auf der Grundplatte 12 aufgebracht.
- Jeder der IGBT-Chips 16 ist mit einem massiven Metallbügel 18 kontaktiert. Durch ihre hohe Stromtragfähigkeit schmelzen die Metallbügel 18 auch in einem Fehlerfall nicht weg. Diese erlauben daher, dass der Strom auch nach Ausfall eines IGBT- Chips 16 über diesen Chip fließen kann. Dadurch wird ein sicherer Kurzschluss gebildet, der einen dauerhaften Betrieb der Anlage bis zur nächsten Wartung ermöglicht.
- Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist auf jedem IGBT-Chip 16 des IGBT-Moduls 20 eine massive Kontaktplatte 22 aus Molybdän aufgelötet. Alternativ kann die Kontaktplatte 22 auch durch eine Niedertemperaturverbindung aufgebracht werden. Die Metallbügel 18 kontaktieren in diesem Ausführungsbeispiel nicht die IGBT-Chips 16 selbst, sondern die Kontaktplatten 22.
- Das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 zeigt ein IGBT-Modul 24, bei dem auf mehrere IGBT-Chips 26, 28 jeweils eine gemeinsame Molybdän-Kontaktplatte 30 aufgebracht ist. Um die Stromtragfähigkeit zu erhöhen, können mehrere der massiven Metallbügel 32 und 34 diese gemeinsame Kontaktplatte 30 kontaktieren.
- Die Kontaktplatten können auch untereinander elektrisch verbunden sein, um hohe Stromdichten weiter zu reduzieren.
Claims (12)
1. Leistungshalbleitermodul (10, 20, 24) mit einem oder einer
Mehrzahl parallel oder in Reihe geschalteter
Leistungshalbleiter-Chips (16, 26, 28), dadurch
gekennzeichnet, dass die Leistungshalbleiter-Chips (16, 26, 28) mit
Metallbügeln (18, 32, 34) hoher Stromtragfähigkeit
kontaktiert sind, die im Fehlerfall das Fließen eines
Kurzschlussstroms über einen ausgefallenen Leistungshalbleiter-Chip (16,
26, 28) erlauben, wobei die Kontaktierung zwischen den
Metallbügeln (18, 32, 34) und den Leistungshalbleiter-Chips
(16, 26, 28) so ausgeführt ist, dass auf die
Leistungshalbleiter-Chips (16, 26, 28) zu keiner Zeit eine vertikale
Druckbelastung wirkt.
2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung
zwischen den Metallbügeln (18, 32, 34) und den
Leistungshalbleiter-Chips (16, 26, 28) als Lötverbindung oder als
Niedertemperaturverbindung ausgeführt ist.
3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die
Leistungshalbleiter-Chips (16, 26, 28) direkt auf einer Grundplatte
(12) aufgebracht sind.
4. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die
Leistungshalbleiter-Chips (16, 26, 28) über eine zusätzliche
Zwischenschicht zur elektronischen Isolierung, vorzugsweise eine
Keramikplatte (14), auf die Grundplatte (12) aufgebracht sind.
5. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass eine
Anschlusselektrode der Leistungshalbleiter-Chips (26) jeweils mit
einer Kontaktplatte (22) versehen ist, die mit den Metallbügeln
(18) hoher Stromtragfähigkeit kontaktiert ist.
6. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Anschlusselektroden von mehreren Leistungshalbleiter-Chips
(26, 28) mit einer gemeinsamen Kontaktplatte (30) versehen
sind, wobei die Kontaktplatte (30) mit einem oder mehreren
Metallbügeln (32, 34) hoher Stromtragfähigkeit kontaktiert
ist.
7. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktplatte
(22, 30) aus Molybdän gebildet ist.
8. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Leistungshalbleiter-Chips (16, 26, 28) auf einer gemeinsamen
Grundplatte (12) angeordnet sind.
9. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Leistungshalbleiter (16, 26, 28) durch MOS-gesteuerte
Schalter, insbesondere durch MOSFETs oder IGBTs, oder durch Dioden
gebildet sind.
10. Verfahren zum Herstellen eines Leistungshalbleitermoduls
mit einer Mehrzahl in Reihe geschalteter Leistungshalbleiter-
Chips (16, 26, 28), bei dem
die Mehrzahl von Leistungshalbleiter-Chips (16, 26, 28), auf einer Grundplatte (12) angeordnet wird, und
die Leistungshalbleiter-Chips (16, 26, 28), mit Metallbügeln (18) hoher Stromtragfähigkeit kontaktiert werden, die im Fehlerfall das Fließen eines Kurzschlussstroms über einen ausgefallenen Leistungshalbleiter-Chip (16, 26, 28), erlauben.
die Mehrzahl von Leistungshalbleiter-Chips (16, 26, 28), auf einer Grundplatte (12) angeordnet wird, und
die Leistungshalbleiter-Chips (16, 26, 28), mit Metallbügeln (18) hoher Stromtragfähigkeit kontaktiert werden, die im Fehlerfall das Fließen eines Kurzschlussstroms über einen ausgefallenen Leistungshalbleiter-Chip (16, 26, 28), erlauben.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Kontaktplatte (22) auf eine
Anschlusselektrode der Leistungshalbleiter-Chips (16, 26, 28),
aufgelötet wird oder durch eine Niedertemperaturverbindung
aufgebracht wird, und dass die Kontaktplatte (22) mit den
Metallbügeln (18) hoher Stromtragfähigkeit kontaktiert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch
gekennzeichnet, dass eine gemeinsame Kontaktplatte (30)
auf die Anschlusselektroden von mehreren Leistungshalbleiter-
Chips (16, 26, 28), aufgelötet wird oder durch eine
Niedertemperaturverbindung angebracht wird, und dass die
Kontaktplatte (30) mit einem oder mehreren Metallbügeln (32, 34)
hoher Stromtragfähigkeit kontaktiert wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2002144748 DE10244748A1 (de) | 2002-09-25 | 2002-09-25 | Leistungshalbleitermodul und Verfahren zur Herstellung desselben |
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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Family
ID=27740766
Family Applications (1)
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Country Status (1)
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DE (1) | DE10244748A1 (de) |
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- 2002-09-25 DE DE2002144748 patent/DE10244748A1/de not_active Ceased
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