DE10303932A1 - Elektronisches Leistungsmodul mit mindestens zwei Leistungshalbleiterchips und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

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Christian Dr. Miesner
Jaime Estevez
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Infineon Technologies AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Leistungsmodul (1) mit mindestens zwei Leistungshalbleiterchips (2, 3) und mit einem Schaltungsträger (4), wobei Elektroden (5) der Leistungshalbleiterchips (2, 3) untereinander und/oder mit Außenkontakten (6) eines gemeinsamen Gehäuses (7) elektrisch verbunden sind. Die mindestens zwei Leistungshalbleiterchips (2, 3) bilden einen auf dem Schaltungsträger (4) angeordneten Stapel (8), wobei mindestens einer der Leistungshalbleiterchips (2, 3) des Stapels (8) ein Siliciumkarbid-Leistungschip (9) ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Leistungsmoduls (1).

Description

  • Elektronisches Leistungsmodul mit mindestens zwei Leistungshalbleiterchips und Verfahren zur Herstellung desselben
  • Die Erfindung betrifft ein elektronisches Leistungsmodul mit mindestens zwei Leistungshalbleiterchips gemäß der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
  • Unter elektronischen Leistungsmodulen werden in diesem Zusammenhang auch diskrete elektronische Bauteile verstanden, die mehr als einen Halbleiterchip aufweisen. Das Einbringen von mindestens zwei Leistungshalbleiterchips in ein gemeinsames Gehäuse mit vorgegebener Grundfläche begrenzt die Schaltleistung des Leistungsmoduls, zumal Leistungshalbleiterchips, die nicht unmittelbar der Schaltung von elektrischer Leistung dienen, sondern Schutzfunktionen wie eine Freilaufdiode erfüllen müssen, einen erheblichen Teil der Grundfläche beanspruchen, um ihre Verlustwärme abführen zu können.
  • Leistungsmodule mit nur zwei Leistungshalbleiterchips auf ihrer Grundfläche werden auch Duopack-Bauteile genannt. Ein derartiges Duopack-Bauteil auf der Grundlage eines TO 252-Gehäuses mit einem Leistungshalbleiterchip eines Leistungstransistors und einem Leistungshalbleiterchip einer Leistungsdiode kann nur bis zu 6 Ampere schalten, obgleich die Grundfläche des Gehäuses TO252 wesentlich höhere Schaltströme zuließe, wenn die gesamte Grundfläche des TO252-Gehäuses dem Leistungshalbleiterchip des Leistungstransistors zur Verfügung stände. Auch die Duopack-Bauteile, die in einem TO220-Gehäuse untergebracht sind und deren Schaltstrom aufgrund des Flächenbedarfs einer Freilaufdiode auf bis zu 30 Ampere Schaltstrom begrenzt sind, könnten einen höheren Strom schalten, wenn die gesamte Grundfläche dem Leistungshalbleiterchip des Leistungstransistors zur Verfügung stände. Ähnliches gilt für Leistungsmodule des Duopack-Typs, die auf einem TO247- Gehäuse basieren und somit einen Strom von nur 50 Ampere zuverlässig schalten können.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Leistungsmodul zu schaffen, dessen Leistungsfähigkeit bei vorgegebenen Gehäusedaten wesentlich verbessert werden kann. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein Leistungsmodul zu schaffen, das auch unter extremen Temperatur- und Strahlungsbedingungen mit erhöhter Zuverlässigkeit betrieben werden kann. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, um derartige Leistungsmodule herzustellen.
  • Erfindungsgemäß wird ein elektronisches Leistungsmodul mit mindestens zwei Leistungshalbleiterchips geschaffen, das einen Schaltungsträger aufweist. In dem elektronischen Leistungsmodul sind die Elektroden der Leistungshalbleiterchips untereinander und/oder mit Außenkontakten eines gemeinsamen Gehäuses elektrisch verbunden. Mindestens zwei Leistungshalbleiterchips bilden einen Stapel auf dem Schaltungsträger, wobei mindestens einer der Leistungshalbleiterchips des Stapel ein Siliciumkarbid-Leistungschip ist.
  • Die bisher eingesetzten Leistungshalbleiterchips auf Siliciumbasis zeigen aufgrund des geringen Bandabstands des Halbleitermaterials Silicium eine hohe Wärmeempfindlichkeit, so dass Verlustwärme, die beim Schalten von hohen Strömen auftritt, eine Funktionsunfähigkeit des Leistungshalbleiterchips bewirken kann, wobei der Leistungshalbleiterchip vorübergehend zu einem elektrisch leitenden Widerstand degeneriert, wenn keine ausreichende Kühlung durch Anordnung des Leistungschips auf einer Gehäusegrundfläche vorgesehen ist. Siliciumkarbid-Leistungschips entwickeln hingegen bei Betrieb eine geringere Verlustwärme, weisen einen höheren Bandabstand auf und sind selbst bei hohen Betriebstemperaturen noch funktionsfähig. Siliciumkarbid-Leistungschips, die erfindungsgemäß in einer Chip-on-Chip-Struktur eingesetzt werden, ermöglichen eine Erhöhung der Packungsdichte, eine Verminderung der Grundflächenabmessungen, eine Optimierung der Gestaltung von Leistungsmodulen und eine Minderung der Verlustleistung.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Stapel neben dem mindestens einen Siliciumkarbid-Leistungschip einen Silicium-Leistungschip auf. Damit ist der Vorteil verbunden, dass Schaltfunktionen von Leistungsmodulen, die auf der Basis Silicium-Leistungschips erzielt werden können, nach wie vor in einem derartigen Stapel zur Verfügung stehen. Dazu kann der Silicium-Leistungschip mindestens einen Leistungschip der Gruppe Silicium-Leistungsdiode, Silicium-Leistungstransistor, Silicium-Leistungs-MOS-Feldeffekttransistor, Silicium-Leistungs-Bipolartransistor mit isoliertem Gate, Silicium-TRIAC oder Silicium-Thyristor aufweisen.
  • Aufgrund der geringen Verlustleistung, die ein Siliciumkarbid-Leistungschip in einem derartigen Stapel in Kombination mit einem Silicium-Leistungschip entwickelt, wird die Funktionalität des thermisch empfindlichen Silicium-Leistungschips nicht beeinträchtigt. Ein Stapel von mindestens zwei Leistungshalbleiterchips mit unterschiedlicher Halbleitermaterialbasis beeinträchtigt somit nicht die einzelnen Komponenten des Stapels. Die verminderte Verlustleistung, die bei Siliciumkarbid-Leistungschips auftritt, liefert den weiteren Vorteil, dass der Siliciumkarbid-Leistungschip in einem elektronischen Leistungsmodul nicht auf einer kühlenden Grundfläche montiert werden muss, so dass eine erhebliche Grundflächeneinsparung ermöglicht wird.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Siliciumkarbid-Leistungschip ein Leistungshalbleiterchip einer Leistungsdiode. Eine derartige Leistungsdiode kann in vorteilhafter Weise antiparallel zu einem verstärkenden Leistungsbauteil geschaltet werden, um dieses Leistungsbauteil vor Induktionsströmen eines Induktivitäten aufweisenden Verbrauchers zu schützen. Die Fläche, die eine derartige Freilaufdiode auf der Grundfläche eines Schaltungsträgers be anspruchen würde, kann durch den erfindungsgemäßen Stapel mit einer Siliciumkarbid-Leistungsdiode eingespart werden und steht nun einem großflächigeren Silicium-Leistungschip zur Verfügung.
  • In dem Stapel kann auch ein Siliciumkarbid-Leistungschip eingesetzt werden, der ein Leistungshalbleiterchip eines Leistungstransistors auf Siliciumkarbidbasis ist. Derartige Siliciumkarbid-Leistungstransistoren zeichnen sich durch ihre geringe Verlustwärme, ihre hohe Temperaturfestigkeit und ihre hohe Spannungsfestigkeit aus, so dass die Eigenschaften eines Leistungsmoduls mit einem derartigem erfindungsgemäßen Stapel wesentlich verbessert werden. Hinzu kommt die hohe Strahlungsfestigkeit gegenüber hochenergetischen Strahlen des Halbleitermaterials Siliciumkarbid, die ermöglicht, daß derartige Leistungsmodule sowohl im Weltraum als auch in medizinischen Anlagen mit hoher Strahlungsbelastung eingesetzt werden können.
  • Als Siliciumkarbid-Leistungschip kann insbesondere der Leistungshalbleiterchip eines Junction-Feldeffekt-Leistungstransistors auf Siliciumkarbidbasis eingesetzt werden. Diese Junction-Feldeffekt-Leistungstransistoren auf Siliciumkarbidbasis sind äußerst robust und weisen aufgrund der spezifischen Halbleitereigenschaften des Siliciumkarbids auch die oben erwähnten Vorteile auf.
  • Ein Stapel mit einem derartigen Leistungshalbleiterchip eines Junction-Feldeffekt-Leistungstransistors auf Silciumkarbidbasis erhöht die Einsatzfähigkeit eines elektronischen Leistungsmoduls bei extremen Betriebsbedingungen, wie sie beispielsweise in der Antriebstechnik auftreten. Weitere stapelbare Siliciumkarbid-Leistungschips sind die Halbleiterchips von MOS-Feldeffekttransistoren oder TRIACs oder Thyristoren auf Siliciumkarbidbasis. Derartige Siliciumkarbid-Leistungschips können mit den bereits oben erwähnten Silicium-Leistungschips mit einem Stapel kombiniert werden, der den Ein- Einsatzbereich von elektronischen Leistungsmodulen wesentlich erweitert. Dabei ist von besonderem Vorteil die hohe Strahlungsfestigkeit der Siliciumkarbid-Leistungschips, die sich vorteilhaft bei erweiterten Einsätzen auswirkt.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des elektronischen Bauteils weist dieses einen Stapel mit mindestens zwei Leistungshalbleiterchips auf, der einen Leistungshalbleiterchip eines Silicium-Leistungs-Bipolartransistors mit isoliertem Gate und einen zweiten Leistungshalbleiterchips einer Siliciumkarbid-Leistungsdiode aufweist. Die Siliciumkarbid-Leistungsdiode ist dabei als Schutzdiode für den Silicium-Leistungs-Bipolartransistor mit isoliertem Gate antiparallel zur Kollektor-Emitter-Strecke geschaltet, wobei auf der großflächigen Elektrode des Emitters des Siliciumleistungs-Bipolartransistors unmittelbar die Anode der Siliciumkarbid-Leistungsdiode aufgelötet ist. Dieses hat den Vorteil, dass keinerlei Umverdrahtungsstrukturen zwischen den beiden Leistungshalbleiterchips erforderlich wird, und somit ist diese Struktur kostengünstig herzustellen.
  • Weiterhin ist es möglich, dass der Stapel als Leistungshalbleiterchip einen Siliciumleistungs-MOS-Feldeffekttransistor und eine Siliciumkarbid-Leistungsdiode aufweist. Auch in diesem Fall kann die Leistungsdiode mit ihrer Anode unmittelbar auf der großflächigen gemeinsamen Source-Elektrode des Siliciumleistungs-MOS-Feldeffekttransistors angeordnet werden. Wenn auch die einzelnen Source-Elektroden der mehrere tausend MOS-Feldeffekttransistoren eines derartigen Siliciumleistungsbauteils mikroskopisch klein sind, so sind diese Source-Elektroden noch auf dem Silicium-Leistungschip zu einer großflächigen gemeinsamen Source-Elektrode zusammengeführt, auf der eine oder mehrere Schutzelektroden aus Siliciumkarbid mit ihren Anoden angeordnet werden können.
  • Die Reihenfolge in einem erfindungsgemäßen Stapel von unten nach oben für die einzelnen Leistungschips richtet sich nach ihrer Größe. In vorteilhafter Weise wird der flächenmäßig größte Leistungschip unmittelbar auf dem Schaltungsträger angeordnet, und drauf werden Halbleiterchips mit kleiner werdender Fläche gestapelt. Das hat den Vorteil, dass auf Elektroden in den Randbereichen der größeren Leistungshalbleiterchips zugegriffen werden kann und eine Verbindung über Bonddrähte zum Schaltungsträger für diese Elektroden herstellbar sind. Trotz dieser Größenrangfolge im Stapel kann ein Siliciumkarbid-Leistungschip bei entsprechender Größe als unterer Leistungschips unmittelbar auf dem Schaltungsträger angeordnet sein. Dieses beeinträchtigt den Wärmehaushalt des Leistungsmoduls nicht, da die Wärmeleitfähigkeit eines Siliciumkarbid-Leistungschips derart hoch ist, dass Verlustwärme von einem darüber liegenden Silicium-Leistungschip zu dem Schaltungsträger abgeführt werden kann, ohne die Funktionalität des Siliciumkarbid-Leistungschips zu beeinträchtigen.
  • Bei den gegenwärtig verfügbaren Größen der Silicium-Leistungschips ist es vorteilhaft, diese als unteren Halbleiterchip in dem Stapel direkt in Kontakt mit dem Schaltungsträger zu stapeln, da gegenwärtig die verfügbaren Größen von Siliciumkarbid-Leistungsdioden geringer sind als die von Siliciumkarbid-Leistungschips.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Stapel zwischen den Leistungshalbleiterchips mindestens eine großflächige Zwischenelektrode aufweist, die elektrisch mit mindestens einer Elektrode eines darunter angeordneten Leistungschips und mit mindestens einer Elektrode eines darüber angeordneten Leistungschips verbunden ist. Eine derartige Zwischenelektrode ist dann vorteilhaft, wenn mehrere kleinere Elektroden eines darunter liegenden Leistungschips mit mehreren kleineren Elektroden eines darüber liegenden Leistungschips miteinander elektrisch zu verbinden sind. Außerdem erweist sich eine derartige Zwischenelektrode von Vorteil, wenn beide Leistungshalbleiterchips in dem Stapel gleiche Größen aufweisen.
  • In einem elektronischen Leistungsmodul, das einen Stapel aus einer Siliciumkarbid-Leistungsdiode und einem Silicium-Leistungstransistor aufweist, ist der Kollektor des Silicium-Leistungstransistors unmittelbar auf dem Schaltungsträger angeordnet und mit einer Metallisierung entsprechend verbunden. Die das obere Ende des Stapels bildende Kathodenelektrode der Siliciumkarbid-Leistungsdiode ist über einen Bonddraht mit der Metallisierung des Schaltungsträgers derart verbunden, dass der Kollektor des Silicium-Leistungstransistors und die Kathode der Siliciumkarbid-Leistungsdiode elektrisch zusammengeschlossen sind und mit einem Außenkontakt in Verbindung stehen. Die isolierte Gate-Elektrode des Silicium-Leistungstransistors kann über einen weiteren Bonddraht und über eine Steuersignalleitung auf dem Schaltungsträger mit einem Außenkontakt in Verbindung stehen. Neben dem erfindungsgemäßen Stapel mit mindestens einem Siliciumkarbid-Leistungschip kann der Schaltungsträger weitere aktive und passive elektronische nicht gestapelte Bauteile aufweisen, die zu einem Leistungsmodul auf dem Schaltungsträger zusammengeführt sind.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Leistungsmodul wenigstens eine Stapel mit einem ersten und einem zweiten Leistungshalbleiterchip aufweist, wobei beide Leistungshalbleiterchips des Stapels Siliciumkarbid-Leistungschips sind. Wegen der vorteilhaften Eigenschaften von Siliciumkarbid-Leistungsbauelementen in Bezug auf deren niedrige Verlustleistung, deren niedrigen thermischen Widerstand, deren stabiles Verhalten bei hohen Temperaturen und auf deren Sperrspannungen bis zu mehreren kV lassen sich Bauelemente mit einer verringerten Verlustleistung bei gegebenen Bauelementabmessungen bzw. mit verringerten Abmessungen bei einer gegebenen zulässigen Verlustleistung realisieren.
  • Die Siliciumkarbid-Leistungshalbleiterchips sind vorzugsweise Siliciumkarbid-Leistungsdioden, wobei Vorderseiten und Rückseiten der Leistungshalbleiterchips Anschlusselektroden der Siliciumkarbid-Leistungsdioden bilden und die Rückseite eines ersten der Leistungshalbleiterchips des wenigstens einen Stapels auf dem Schaltungsträger befestigt und mit diesem elektrisch leitend verbunden ist und die Rückseite eines zweiten der Leistungshalbleiterchips auf der Vorderseite des ersten Leistungshalbleiterchips befestigt und mit dieser elektrisch leitend verbunden ist.
  • Zur elektrischen Kontaktierung der Siliciumkarbid-Leistungsdioden weist der Schaltungsträger Außenkontakte bzw. Anschlussbeine auf, an die die Vorderseiten bzw. Rückseiten der Leistungsdiodenchips beispielsweise mittels Bonddrähten angeschlossen sind. Um eine Kontaktierung der Elektroden zu ermöglichen, die durch die Vorderseite des unteren, ersten Leistungschips und die Rückseite des oberen, zweiten Leistungschips gebildet sind, ist der zweite Leistungschips vorzugsweise mit einer kleineren Fläche als der erste Leistungschip ausgebildet, so dass nach dem Aufbringen des zweiten auf den ersten Leistungschip Abschnitte der Vorderseite des ersten Leistungschips für die Herstellung einer Bondverbindung zu einem Anschlusskontakt freibleiben.
  • Derartige Anordnungen mit zwei übereinander auf einem Schaltungsträger befestigten Leistungsdioden sind beispielsweise zur Realisierung einer Gleichrichter-Diodenbrücke einsetzbar. Hierzu können zwei Schaltungsträger verwendet werden, die je einen Stapel mit einer ersten und zweiten Siliciumkarbid-Leistungsdiode und externe Anschlusskontakte, über die die Dioden kontaktierbar sind, aufweisen, wobei die durch je einen der Schaltungsträger mit den zwei Dioden gebildeten Bauelemente extern zu einer Diodenbrücke verschaltet werden können.
  • Zur Realisierung einer Diodenbrücke besteht weiterhin die Möglichkeit, zwei Stapel mit je einem ersten und einem zweiten Siliciumkarbid-Leistungsdiodenchip auf einen Schaltungsträger aufzubringen, wobei die unteren Diodenchips der beiden Stapel, die auf dem Schaltungsträger befestigt sind, über den Schaltungsträger elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Hierbei bildet der Abschnitt des Schaltungsträgers, auf den die Stapel aufgebracht sind bzw. ein sich an diesen Abschnitt anschließendes Anschlussbein, einen ersten Anschluss der Diodenbrücke. Die Vorderseiten der oberen, ersten Chips sind beispielsweise mittels eines Bonddrahtes verbunden und an ein zweites Anschlussbein angeschlossen, um einen zweiten Anschluss der Diodenbrücke zu bilden. Außerdem sind die Vorderseiten der unteren, ersten Chips, und damit die Rückseiten der oberen, zweiten Chips über Bonddrähte an je ein Anschlussbein angeschlossen, um dritte und vierte Anschlüsse der Diodenbrücke zu bilden.
  • Eine Diodenbrücke wird beispielsweise dadurch realisiert, dass die Rückseiten aller Diodenchips Kathodenanschlüsse und die Vorderseiten Anodenanschlüsse der Dioden bilden oder dass die Rückseiten aller Diodenchips Anodenanschlüsse und die Vorderseiten Kathodenanschlüsse bilden.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann der Schaltungsträger mit dem Stapel in einer Kunststoffgehäusemasse verpackt sein, wobei Außenkontakte aus dem Gehäuse des elektronischen Leistungsbauteils herausragen. Eine derartige Ausführungsform eines Leistungsmoduls hat den Vorteil, dass ein derartiges Gehäuse kostengünstig herstellbar ist und sämtliche Komponenten in der Kunststoffgehäusemasse eingebettet sind und somit ein hoher mechanischer Schutz der Leistungshalbleiterchips und auch der Bondverbindung erreicht wird. Die aus dem Gehäuse herausragenden Außenkontakte können stiftförmig ausgebildet sein und nach außen Kontaktflächen aufweisen, die auf den Randseiten und/oder auf der Unterseite des elektronischen Leistungsmoduls angeordnet sind.
  • Der Schaltungsträger mit dem Stapel kann auch in einem Hohlgehäuse angeordnet sein, wobei das Hohlgehäuse eine Kunststoffgehäusemasse aufweist, während der Hohlraum mit einer Silikonmasse aufgefüllt ist. Ein derartiges Leistungsmodul hat gegenüber einem Leistungsmodul, dessen Komponenten vollständig in Kunststoffgehäusemasse eingebettet sind, eine höhere Stabilität gegenüber Feuchtigkeit und eine höhere Spannungsfestigkeit aufgrund der die Komponenten umgebenden Silikonmasse.
  • Das Leistungsmodul kann auch vorteilhafterweise ein hermetisch abgeschlossenes Metallgehäuse aufweisen. Derartige Metallgehäuse werden insbesondere in der Antriebstechnik eingesetzt, bei der mit extremen Umweltbelastungen zu rechnen ist. Der Hohlraum kann zur Erhöhung der Lebensdauer mit einem trockenen Inertgas gefüllt sein, das einerseits die Spannungsfestigkeit erhöht und andererseits den Widerstand gegen Luftfeuchte verbessert.
  • Ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Leistungsmoduls weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird ein Schaltungsträger bereit gestellt, der mindestens einen Stapel aus mehreren Leistungshalbleiterchips aufnehmen kann und mit Außenkontakten elektrisch verbunden ist. Ferner werden mindestens zwei Halbleiterchips unter elektrischem Verbinden der Leistungshalbleiterchips über mindestens eine großflächige Elektrode gestapelt, wobei mindestens einer der Leistungshalbleiterchips ein Siliciumkarbid-Leistungschip ist. Dieser Stapel wird auf den Schaltungsträger aufgebracht. Anschließend werden Bondverbindungen zwischen dem Schaltungsträger und den Elektroden der Leistungshalbleiterchips hergestellt. Abschließend wird der Schaltungsträger mit mindestens dem Stapel aus mehreren Leistungshalbleiterchips in ein Gehäuse eingebracht.
  • Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass aufgrund der unmittelbaren Verbindung von den Leistungshalbleiterchips über eine großflächige Elektrode keinerlei Umverdrahtungsstrukturen und andere komplexe Verbindungsplatten zwischen den Leistungshalbleiterchips vorgesehen werden müssen, was einerseits die Höhe des Stapel vermindert und andererseits die Verfahrenskosten minimiert. Darüber hinaus hat das Verfahren den Vorteil, dass die Anzahl von Bondverbindungen auf ein Mindestmaß reduziert ist, was die Ausschussrate bei der Durchführung des Verfahrens vermindert, da jeder zusätzliche Bonddraht ein Verfahrensrisiko darstellt.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird ein erster Halbleiterchip mit einer großflächigen Elektrode auf seiner Oberseite auf den Schaltungsträger mit seiner passiven Rückseite aufgebracht. Anschließend wird ein zweiter Leistungshalbleiterchips auf der großflächigen Elektrode gestapelt. Somit wird bei diesem Durchführungsbeispiel des Verfahrens der Stapel nicht getrennt von dem Schaltungsträger bzw. parallel zu dem Schaltungsträger bereit gestellt, sondern in vorteilhafter Weise unmittelbar auf dem Schaltungsträger zusammengebaut. Damit vermindert sich die Anzahl der für ein derartiges Verfahren vorzusehenden Haltesockel und Werkzeuge, da der Schaltungsträger direkt mit den zu stapelnden Leistungshalbleiterchips aufeinander bestückt werden kann.
  • In einem weiteren Durchführungsbeispiel des Verfahrens wird zunächst eine großflächige Zwischenelektrode auf dem ersten Leistungshalbleiterchip mit elektrischer Verbindung zu Elektroden dieses ersten Leistungshalbleiterchips aufgebracht. Anschließend wird mindestens eine Elektrode eines darüber angeordneten zweiten Leistungshalbleiterchips mit dieser Zwischenelektrode elektrisch verbunden. Die Stapelung über eine Zwischenelektrode erweist sich insbesondere dann als vorteilhafte Lösung, wenn die zu verbindenden Elektroden des oberen und unteren Halbleiterchips an verschiedenen Positionen auf der Oberseite bzw. der Rückseite der zu stapelnden Leistungshalbleiterchips angeordnet sind. Die Kosten des Verfahrens für das Herstellen einer derartigen Zwischenelektrode sind in keiner Weise vergleichbar mit den Kosten der Herstellung von entsprechenden Umverdrahtungsstrukturen, wie sie für andere Stapeltechniken erforderlich sind.
  • Bei einem weiteren Durchführungsbeispiel des Verfahrens ist es vorgesehen, dass als Schaltungsträger ein Flachleiterrahmen mit mehreren Bauteilpositionen derart strukturiert wird, dass er in jeder Bauteilposition eine Chipinsel zur Aufnahme eines Stapels aus Leistungshalbleiterchips aufweist. Neben der Chipinsel weist der Flachleiterrahmen an jeder Bauteilposition innere Flachleiter mit Bondfingern auf, die in Außenflachleiter zur Darstellung von Außenkontakten übergehen. Auf den Bondfingern der inneren Flachleiter sind Bonddrähte angeordnet, die mit Elektroden des Leistungshalbleiterchips verbunden sind und die elektrische Verbindung zu den Außenkontakten herstellen.
  • Ein Vorteil dieser Verfahrensvariante ist, dass ein Schaltungsträger, der als Flachleiterrahmen ausgebildet ist, mehrere Bauteilpositionen aufweist, in denen parallel bzw. gleichzeitig Verfahrensschritte zur Herstellung eines elektronischen Leistungsmoduls durchgeführt werden können. Erst nach Fertigstellung der jeweiligen Leistungsmodule in den einzelnen Bauteilpositionen des Flachleiterrahmens werden dann die einzelnen Leistungsmodule aus dem Flachleiterrahmen heraus getrennt. Das Strukturieren des Flachleiterrahmens kann mittels Stanztechnik erfolgen, womit ein äußerst preiswertes Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers für ein Leistungsmodul möglich ist. Zwar kann grundsätzlich auch der Flachleiterrahmen aus einer Metallplatte herausgeätzt werden, jedoch sind dazu vor dem Ätzen Masken aufzubringen, was die Kosten des Verfahrens erhöht.
  • Die Bonddrähte können auf den Bondfingern des Flachleiterrahmens und auf den Elektroden der Leistungshalbleiterchips mittels Thermokompressionsbonden aufgebracht werden. Beim Thermokompressionsbonden entsteht auf einer der beiden zu bondenden Flächen ein Bondkopf, von dem aus der Bonddraht zunächst in Richtung der Flächennormalen abgezogen wird und erst danach kann der Bonddraht zu der zweiten zu bondenden Fläche hin gebogen werden. Unter Ausbildung eines Bondbogens wird danach die zweite Bondstelle ausgeführt. Dieser Bondbogen ist flacher ausführbar als der Bondkopf, so dass es von Vorteil ist, den Bondkopf zunächst auf einer tiefer gelegenen Bondstelle, wie beispielsweise den Bondfingern, durchzuführen und den flacheren Bondbogen dann auf den Elektroden der gestapelten Halbleiterchips auszuführen. Mit dieser Umkehr der Bondtechnik kann die Höhe des elektronischen Leistungsmoduls minimiert werden.
  • Zur Herstellung eines Gehäuses aus einer Kunststoffgehäusemasse kann ein Transfermoldverfahren verwendet werden, bei dem der Schaltungsträger und die Komponenten des Leistungsmoduls in der Kunststoffgehäusemasse eingebettet werden. Dabei entsteht ein Gehäuse, das vollständig die Komponenten vor mechanischer Beschädigung schützt, jedoch bildet die Kunststoffgehäusemasse einen thermischen Übergangswiderstand, der eine Ableitung der Verlustwärme erschwert. Um dieses Problem zu lösen, können Gehäuse hergestellt werden, bei denen die Chipinsel auf einer Kühlplatte angeordnet ist, die ihrerseits aus der Kunststoffgehäusemasse herausragt, so dass eine intensive Kühlung des Leistungschipstapels über die Kühlplatte und die Chipinsel vorteilhafterweise möglich ist.
  • Die thermischen Probleme der Gehäusestruktur können auch durch Einsetzen eines Metallgehäuses, das hermetisch zu seiner Umgebung abgeschlossen ist, gelöst werden. Dazu wird der Hohlraum in dem Metallgehäuse mit trockenem Inertgas gefüllt, um ein Eindringen von Umluft und Feuchte zu vermeiden. Derartige Metallgehäuse für Leistungsmodule sind vorteilhaft in der Antriebs- und KFZ-Technik einsetzbar.
  • Bei einem weiteren Durchführungsbeispiel des Verfahrens werden zum Einbringen des Schaltungsträgers mit mindestens einem Stapel aus mehreren Leistungshalbleiterchips in ein Gehäuse die Komponenten in ein Kunststoffgehäuse eingeschlossen und anschließend wird der Hohlraum mit einer Silikonmasse aufgefüllt. Mit diesem Auffüllen wird ebenfalls ein Schutz der Komponenten gegen Feuchtigkeit und Korrosion erreicht, wobei gleichzeitig ein hoher mechanischer Schutz realisiert wird. Darüber hinaus ist diese Gehäusevariante preiswerter zu realisieren als ein mit Edelgas gefülltes hermetisch abgeschlossenes metallisches Hohlgehäuse.
  • Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erörtert.
  • 1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Leistungsmoduls einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
  • 2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Leistungsmoduls einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
  • 3 zeigt ein schematisches Ersatzschaltbild eines Stapels aus zwei Leistungshalbleiterchips, der mit drei Außenanschlüssen (C, G, E) verbunden ist,
  • 4 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines TO220-Gehäuses eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls der zweiten Ausführungsform der Erfindung,
  • 5 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Leistungsmodul der 4,
  • 6 zeigt eine schematische Seitenansicht des Leistungsmoduls der 4,
  • 7 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines TO247-Gehäuses eines erfindungsgemäßen Leis tungsmoduls der ersten Ausführungsform der Erfindung,
  • 8 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Leistungsmodul der 7,
  • 9 zeigt eine schematische Seitenansicht des Leistungsmoduls der 7,
  • 10 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Leistungsmodul mit metallischem Hohlgehäuse,
  • 11 zeigt eine schematische Seitenansicht des Leistungsmoduls der 10,
  • 12 zeigt ein perspektivische Ansicht eines Leistungsmoduls mit einem Träger und einem darauf aufgebrachten Stapel eines ersten und zweiten Siliciumkarbid-Leistungsbauelementchips,
  • 13 zeigt eine schematische Draufsicht des Leistungsmoduls nach 12,
  • 14 zeigt der Leistungsmodule nach den 12 und 13, bei denen die Sliziumkarbid-Leistungsbauelementchips jeweils Dioden sind, wobei die beiden Module über Anschlussbeine als Diodenbrücken verschaltet sind,
  • 15 zeigt eine schematische Draufsicht eines Leistungsmoduls mit einem Träger und zwei darauf aufgebrachten Stapeln mit je einem ersten und zweiten Siliciumkarbid-Leistungsbauelementchip,
  • 16 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der Leistungsmodule gemäß der 14 und 15 bei Verwen dung von Siliciumkarbid-Leistungsdioden als Leistungshalbleiterchips,
  • 17 zeigt schematisch eine Möglichkeit zur Realisierung einer Diodenbrücke mittels zweier Leistungsmodule gemäß 13 bei Verwendung von Siliciumkarbid-Leistungsdioden als Leistungsbauelementchips.
  • In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
  • 1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Leistungsmoduls 1 einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die gestrichelte Linie 31 zeigt die Umrisse eines Gehäuses 7 aus Kunststoffgehäusemasse 21. Innerhalb des Kunststoffgehäuses 7 des Leistungsmoduls 1 ist auf einem Schaltungsträger 4 ein Stapel 8 aus einem Silicium-Leistungschip 10 und einen Siliciumkarbid-Leistungschip 9 angeordnet. Der Silicium-Leistungschip 10 des Stapels 8 ist ein Silcicium-Leistungs-Bipolartransistor 12 mit isoliertem Gate G. Die Rückseite des Siliclium-Leistungs-Bipolartransistors 12 bildet die Kollektorelektrode 16 des Kollektors C des Silicium-Leistungs-Bipolartransistors 12 und ist auf einer Chipinsel 27 eines Flachleiterrahmens 26 angeordnet. Der Kollektor C bedeckt weitgehend die Oberfläche der Chipinsel 27. Die Chipinsel 27 des hier nur teilweise gezeigten Flachleiterrahmens 26 geht über in einen inneren Flachleiter 28, an den sich ein äußerer Flachleiter 32 anschließt, der als Außenkontakt 6 ausgebildet ist.
  • Auf der Oberseite des Silicium-Leistungschips 10 ist eine isolierte Gate-Elektrode 19 angeordnet, die über einen Bonddraht 20 mit einem Bondfinger 29 eines inneren Flachleiters 28 verbunden ist. Der innere Flachleiter 28 geht in einen Außenflachleiter 32 über, so dass Steuersignale an das isolierte Gate G des Silicium-Leistungs-Bipolartransistors 12 angelegt werden können.
  • Neben der Gate-Elektrode 19 weist die Oberseite des Silicium-Leistungschips 10 eine Emitterelektrode 15 auf, die den Siliciumkarbid-Leistungschip 9 trägt und mit dessen Anode 14 flächig verbunden ist. Dazu ist in dieser Ausführungsform der Erfindung die Anode 14 der Siliciumkarbid-Leistungsdiode 11 auf die Emitterelektrode 15 des Silicium-Leistungs-Bipolartransistors 12 gelötet. Eine für die Emitterelektrode 15 und die Anode 14 gemeinsame Bondverbindung 24 ist mit einem inneren Flachleiter 28 verbunden, der in einen Außenflachleiter 32 in Form eines Außenkontaktes 6 übergeht.
  • Die Oberseite der Siliciumkarbid-Leistungsdiode 11 weist eine Kathodenelektrode 18 auf, die über eine Bondverbindung 17 mit dem Bondfinger 29 des inneren Flachleiters 28 für die Chipinsel 27 verbunden ist. Somit sind der Kollektor C und die Kathode der Siliciumkarbid-Leistungsdiode gemeinsam mit einem Außenkontakt 30 für die Chipinsel 27 verbunden. In dieser ersten Ausführungsform der Erfindung wird somit weitgehend die volle Grundfläche der Chipinsel 27 für den Leistungsschaltungstransistor genutzt, während für die Freilaufdiode aus einem Siliciumkarbid-Leistungschip 9 kein zusätzlicher Platzbedarf erforderlich ist, zumal diese Leistungsdiode ohne Funktionseinbußen für die beiden gestapelten Leistungschips auf der Emitterelektrode 15 des Silicium-Leistungs-Bipolartransistors 12 angeordnet ist.
  • 2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Leistungsmoduls 1 einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 1 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
  • Der wesentliche Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Ausführungsform der Erfindung liegt in der Gehäusegestaltung. Die Chipinsel 27 trägt nicht nur den Stapel 8 aus zwei Leistungshalbleiterchips 2 und 3, sondern weist auch auf ih rer Unterseite eine Wärmesenke in Form einer strukturierten Metallplatte 33 auf, die zur Wärmeableitung aus dem Gehäuse 7 herausragt. Diese strukturierte Metallplatte 33 weist Aussparungen 34, 35 und 36 auf, die ein Ausrichten und Fixieren der strukturierten Metallplatte 33 ermöglichen. Ferner weist die strukturierte Metallplatte 33 eine Öffnung 37 auf, mit der die Metallplatte 33 über eine nicht gezeigte Befestigungsschraube zusätzlich gekühlt werden kann.
  • 3 zeigt ein schematisches Ersatzschaltbild eines Stapels aus zwei Leistungshalbleiterchips, der mit drei Außenanschlüssen C, G, E, nämlich Kollektor C, isoliertem Gate G und Emitter E verbunden ist. Bei dieser Schaltung von zwei Leistungshalbleitern ist eine Siliciumkarbid-Leistungsdiode 11 antiparallel zur Kollektor-Emitterstrecke (C-E) angeschlossen, wobei die Kathode 18 der Siliciumkarbid-Leistungsdiode 11 einen Knotenpunkt 38 mit dem Kollektor C des Silicium-Leistungs-Bipolartransistors 12 mit isoliertem Gate 19 bildet. Die Anode 14 der Siliciumkarbid-Leistungsdiode 11 ist über den Knotenpunkt 39 mit dem Emitter E des Silicium-Leistungs-Bipolartransistors 12 verbunden. Die Siliciumkarbid-Leistungsdiode 11 dient hier als Freilaufdiode, um den Silicium-Leistungs-Bipolartransistor 12 vor Induktionsstromspitzen eines Induktivitäten aufweisenden Verbrauchers zu schützen.
  • 4 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines TO220-Gehäuses eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 1 der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Aus dem Kunststoffgehäuse 7 ragen zu der einen Seite Außenkontakt 6 heraus, während zur gegenüberliegenden Seite eine strukturierte Metallplatte 33 eine Befestigungsmöglichkeit für das Leistungsmodul 1 sowie eine zusätzliche Kühlmöglichkeit liefert.
  • 5 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Leistungsmodul 1 der 4, wobei die Außenkontakte 6 eine Verbreiterung 40 aufweisen, bevor sie von der Kunststoffgehäusemasse 21 eingebettet werden. Diese Verbreiterung 40 gewährleistet einen sicheren Halt in der Kunststoffgehäusemasse 21.
  • 6 zeigt eine schematische Seitenansicht des Leistungsmoduls 1 der 4, wobei die strukturierte Metallplatte 33 seitlich versetzt gegenüber den Außenkontakten 6 in Form von Außenkontaktstiften angeordnet ist. Diese versetzte Anordnung ergibt sich aus dem Aufbringen der strukturierten Metallplatte 33 auf eine hier nicht zu sehende Chipinsel, auf welcher der Stapel aus mindestens zwei Leistungshalbleiterchips angeordnet ist. In einem derartigen TO220-Gehäuse können in herkömmlicher Duopack-Bauweise, bei der die Leistungshalbleiterchips nebeneinander auf einer Chipinsel angeordnet sind, Schaltungsströme bei intensiver Kühlung bis 30 Ampere auftreten, ohne dass das Kunststoffgehäuse Schaden nimmt. Durch einen erfindungsgemäßen Stapel besteht die Möglichkeit, dass der schaltende Leistungstransistor aus Silicium die gesamte Grundfläche in der Kunststoffgehäusemasse 21 einnimmt, da die Freilaufdiode aus einer Siliciumkarbid-Leistungsdiode auf dem Silicium-Leistungstransistor angeordnet werden kann. Damit kann der zulässige Schaltstrom bei intensiver Kühlung mindestens um 50% gesteigert werden, ohne das Leistungsmodul zu schädigen.
  • 7 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines TO247-Gehäuses eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 1 der ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Grundfläche dieses elektronischen Leistungsmoduls ist so groß, dass in einer Duopack-Version ein Strom von bis zu 50 Ampere geschaltet werden kann. Mit einem erfindungsgemäßen Stapel kann die volle Grundfläche innerhalb der Kunststoffgehäusemasse 21 für das Schalten von Strömen genutzt werden, womit Ströme zulässig werden, die um bis zu 50% größer sind.
  • 8 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Leistungsmodul 1 der 7. Im Unterschied zum Leistungsmodul 1, das in den 4 bis 6 gezeigt wird, weist dieses Leistungs modul keine strukturierte Metallplatte auf, mit der eine Wärmesenke unmittelbar an die in der Kunststoffgehäusemasse 21 angeordnete Chipinsel, die den erfindungsgemäßen Stapel trägt, angeschlossen ist.
  • 9 zeigt eine schematische Seitenansicht des Leistungsmoduls 1 der 7, wobei in dieser Seitenansicht die Außenkontakte 7 in Form von Außenflachleitern in etwa mittig aus der Kunststoffgehäusemasse 21 herausragen.
  • 10 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Leistungsmodul 1 mit metallischem Hohlgehäuse 22. Dieses Metallgehäuse 23 umschließt hermetisch einen Schaltungsträger 4, der mehrere erfindungsgemäße Stapel aus mindestens zwei Leistungshalbleiterchips aufweist. Auf dem Randbereich des Metallgehäuses sind Aussparungen 42 vorgesehen, in denen der Schaltungsträger 4 aus dem hermetisch geschlossenen Hohlgehäuse 22 mit Sockeln 43 herausragt, die Außenkontakte 6 in Form von Außenkontaktstiften 41 tragen. Durch das Stapeln von Leistungshalbleiterchips können wesentlich mehr Leistungsfunktionen in einem derartigen Metallgehäuse 23 für ein Leistungsmodul 1 untergebracht werden.
  • 11 zeigt eine schematische Seitenansicht des Leistungsmoduls 1 der 10. Mit Hilfe von 4 Schrauben in den vier Ecken des rechteckigen Metallgehäuses 23 wird der Hohlraum des Hohlgehäuses 22 hermetisch von der Umgebung abgeschlossen. Zusätzlich kann der Hohlraum des Hohlgehäuses 22 mit einem Inertgas gefüllt sein, um die Lebensdauer des Leistungsmoduls zu erhöhen und Feuchte, Öle und Fettsäuren, sowie korrosive Gase von den Komponenten auf dem Schaltungsträger fernzuhalten.
  • Die 12 und 13 zeigen ein Leistungsmodul mit einem Schaltungsträger (Leadframe) auf dessen Chipinsel 50 ein Stapel 80 mit einem ersten und zweiten Siliciumkarbid-Leistungsbauelementchip 60, 70 aufgebracht ist, wobei die Leistungsbauelementchips 60, 70 Siliciumkarbid-Leistungsdioden sind und Rückseiten und Vorderseiten der Chips 60, 70 Anschlusselektroden der Dioden, also deren Anoden- bzw. Kathodenanschlüsse, bilden. Die Rückseite des ersten Chips 60 ist dabei auf die Chipinsel 50 aufgebracht und elektrisch leitend mit dieser verbunden. Mit der Chipinsel einstückig verbunden ist ein Anschlussbein 51, das aus einem lediglich gestrichelt dargestellten Gehäuse 7 herausragt, um den Anschluss an der Rückseite des ersten Chips 60 von außen kontaktieren zu können. Der zweite Chip 70 ist mit seiner Rückseite auf die Vorderseite 61 des ersten Chips 60 aufgebracht und elektrisch leitend mit dieser verbunden. Die in dem Stapel 80 oben liegende Vorderseite 71 des zweiten Chips ist mittels eines Bonddrahtes an ein weiteres Anschlussbein 53 des Trägers angeschlossen, das von der Chipinsel 50 isoliert ist.
  • Der obere, zweite Chip 70 ist flächenmäßig kleiner als der untere, erste Chip 60 ausgebildet, wodurch Abschnitte der Vorderseite 61 des ersten Chips freiliegen. Dieser freiliegende Abschnitt der Vorderseite des ersten Chips 60 und damit die Rückseite des zweiten Chips 70 ist über einen weiteren Bonddraht 82 an ein weiteres von der Chipinsel 50 isoliertes Anschlussbein 52 angeschlossen.
  • Die Chipinsel ragt vorzugsweise über die Grundfläche des ersten Chips 60 hinaus umfasst und weist an einem den Anschlussbeinen abgewandten Ende ein Loch zum Verschrauben mit einem Kühlkörper (nicht dargestellt) auf.
  • Zum Befestigen des ersten Chip 60 auf dem Träger 50 und Befestigen des zweiten Chip 70 auf dem ersten Chip 60 unter Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung sind beliebige herkömmliche Befestigungsverfahren anwendbar, wie beispielsweise Löten, Kleben mittels eines elektrisch leitenden Klebers oder Klammern mittels (nicht dargestellter Klemmen), Verschrauben, usw.
  • Derartige Reihenschaltungen zweier Leistungsdioden sind in verschiedensten Schaltungsanwendungen einsetzbar, wobei die Dioden 60, 70 elektrisch sowohl in Reihe als auch in Sperrrichtung gegeneinander geschaltet werden können.
  • 14 zeigt ein Anwendungsbeispiel für zwei Leistungsmodule der in den 13 und 14 dargestellten Art zur Realisierung einer Dioden-Brückenschaltung. Das elektrische Ersatzschaltbild dieser Schaltung, in dem entsprechende Anschlüsse wie in 14 entsprechend bezeichnet sind, ist in 15 dargestellt.
  • Die Diodenbrücke umfasst zwei identisch aufgebaute Leistungsmodule, wobei für entsprechende Teile die selben Bezugszeichen verwendet sind, die sich lediglich durch die Buchstaben "A" und "B" unterscheiden und die im Übrigen den Bezugszeichen gemäß der 13 und 14 entsprechen. Die Stapel 80A, 808 umfassen jeweils zwei Siliciumkarbid-Leistungsdiodenchips 60A, 70A, 60B, 70B die derart auf die Chipinseln 50A, 508 der Schaltungsträger aufgebracht sind, dass die Kathodenanschlüsse der ersten Diodenchips 50A, 60B durch deren Rückseiten gebildet und elektrisch mit den Chipinseln 50A bzw. 50B verbunden sind. Die mit den Chipinseln 50A, 50B verbundenen Anschlussbahnen 51A, 51B sind über eine Leitungsverbindung miteinander verbunden, die in 14 nur schematisch eingezeichnet ist und die einen Abzweig aufweist, der einen der Anschlüsse der Diodenbrücke bildet. Die Rückseiten der ersten Diodenchips 70A, 70B bilden ebenfalls die Kathodenanschlüsse dieser Diodenchips und sind elektrisch mit den Anodenanschlüssen an der Vorderseite der ersten Diodenchips 60A, 60B verbunden. Die Anoden der zweiten Diodenchips 70A, 70B sind jeweils über Bonddrähte 81A, 81B mit Anschlussbeinen 53A, 53B verbunden, wobei diese Anschlussbeine 53A, 53B mittels einer schematisch eingezeichneten Leitungsverbindung miteinander verbunden sind, die einen weiteren Abzweig aufweist, der einen weiteren Anschluss der Diodenbrücke bildet. Schließlich sind die Anodenanschlüsse der ersten Diodenchips 60A, 60B über Bonddrähte 82A, 82B an weitere Anschlussbahnen 52A, 52B angeschlossen, die jeweils zwei weitere Anschlüsse der Diodenbrücke bilden.
  • 16 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der aus zwei Leistungsmodulen mit je einem Diodenchip-Stapel 80A, 80B bestehenden Diodenbrücke gemäß 14, wobei zum besseren Verständnis in 16 Anschlüsse α, β, γ, δ der Diodenbrücke eingezeichnet sind, die sich auch in der Darstellung in 14 wiederfinden. Entsprechend sind neben den Schaltsymbolen der Dioden der Diodenbrücke in 16 die zugehörigen Bezugszeichen der Bauelemente gemäß 14 eingezeichnet.
  • Ein besonders platzsparend zu realisierendes Ausführungsbeispiel einer solchen Diodenbrücke ist in 15 dargestellt. Dabei sind die beiden Stapel 80A, 80B mit den jeweils zwei Diodenchips 60A, 60B auf einem einzigen Träger angeordnet, wobei die Kathodenanschlüsse der ersten Diodenchips 60A, 60B, die sich an deren Rückseiten befinden, direkt über die Chipinsel 55 des Trägers miteinander kurzgeschlossen sind. Ein an diese Chipinsel 55 angeformtes Anschlussbein 56 bildet einen Abschluss der Diodenbrücke. Die Anodenanschlüsse der ersten Diodenchips 60A, 60B sind über Bonddrähte 82A, 82B an weitere Anschlussbahnen 57, 58 angeschlossen und die Anodenanschlüsse an der Vorderseite der zweiten Diodenchips 70A, 70B sind mittels eines Bonddrahtes 83 elektrisch leitend miteinander verbunden und mittels eines weiteren Bonddrahtes 81 an ein weiteres Anschlussbein 59 angeschlossen.
  • Die Verwendung von Siliciumkarbid-Leistungsdiodenchips ermöglicht es, die in 15 dargestellte Diodenbrücke in platzsparender Weise in einem Gehäuse zu integrieren, wobei in dem Beispiel gemäß 15 ein den Trägerrahmen umgebendes und die Anschlussbeine mechanisch fixierendes Gehäuse aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist.
  • Das elektrische Ersatzschaltbild des Moduls gemäß 15 mit zwei Diodenchip-Stapeln entspricht dem in 16 dargestellten, wobei die Anschlüsse α, β, γ, δ der Diodenbrücke in 15 ebenfalls dargestellt sind. Entsprechend sind neben den Schaltsymbolen der Dioden der Diodenbrücke in 16 die zugehörigen Bezugszeichen der Bauelemente gemäß 15 eingezeichnet, wobei dieselben Bezugszeichen in den 14 und 15 Bauelemente mit derselben Funktion bezeichnen.
    • 1
    Leistungsmodul
    2, 3
    Leistungshalbleiterchips
    4
    Schaltungsträger
    5
    Elektrode eines Leistungschips
    6
    Außenkontakt
    7
    Gehäuse
    8
    Stapel
    9
    Siliciumkarbid-Leistungschip
    10
    Silicium-Leistungschip
    11
    Siliciumkarbid-Leistungsdiode
    12
    Silicium-Leistungs-Bipolartransistor mit isoliertem Gate
    13
    Zwischenelektrode
    14
    Anode der Siliciumkarbid-Leistungsdiode
    15
    Emitterelektrode
    16
    Kollektor des Silicium-Leistungs-Bipolartransistors mit isoliertem Gate
    17
    Bondverbindung
    18
    Kathode der Siliciumkarbid-Leistungsdiode
    19
    isolierte Gate-Elektrode
    20
    Bondverbindung
    21
    Kunststoffgehäusemasse
    22
    Hohlgehäuse
    23
    Metallgehäuse
    24
    großflächige Elektrode
    25
    Bondverbindung
    26
    Flachleiterrahmen
    27
    Chipinsel
    28
    innere Flachleiter
    29
    Bondfinger
    30
    Außenkontakt zu Chipinsel
    31
    gestrichelte Linie
    32
    Außenflachleiter
    33
    strukturierte Metallplatte
    34,35,36
    Aussparungen
    37
    Öffnung
    38,39
    Knotenpunkte
    40
    Verbreiterung
    41
    Außenkontaktstifte
    42
    Aussparungen
    43
    Sockel
    50
    Träger, Chipinsel
    51,52, 53
    Anschlussbeine
    50A,50B
    Träger, Chipinsel
    51A,52A,53A
    Anschlussbeine
    51B,52B,53B
    Anschlussbeine
    56,57,58,59
    Anschlussbeine
    55
    Träger, Chipinsel
    60,60A,60B
    erster Leistungshalbleiterchip
    70,70A,70B
    zweiter Leistungshalbleiterchip
    61,61A,61B
    Vorderseite des Leistungshalbleiterchips, Anodenanschluss
    71,71A,71B
    Vorderseite des Leistungshalbleiterchips, Anodenanschluss
    81,82
    Bonddrähte
    81A,82A
    Bonddrähte
    81B,82B
    Bonddrähte
    α, β, χ, δ
    Anschlüsse der Diodenbrücke
    80,80A, 80B
    Stapel

Claims (37)

  1. Elektronisches Leistungsmodul mit mindestens zwei Leistungshalbleiterchips (2, 3; 60, 70, 60A, 70A, 60B, 70B) und mit einem Schaltungsträger (4; 50; 55; 50A, 50B), wobei Elektroden (5; 61, 71; 61A, 71A, 61B, 71B) der Leistungshalbleiterchips (2, 3; 60, 70, 60A, 70A, 60B, 70B) untereinander und/oder mit Außenkontakten (51-53; 51A-53B; 56-59) eines gemeinsamen Gehäuses (7) elektrisch verbunden sind dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Leistungshalbleiterchips (2, 3; 60, 70, 60A, 70A, 60B, 70B) wenigstens einen auf dem Schaltungsträger (4) angeordneten Stapel (8; 80; 80A, 80B) bilden, und mindestens einer der Leistungshalbleiterchips (2, 3; 60, 70, 60A, 70A, 60B, 70B) des Stapels (8) ein Siliciumkarbid-Leistungschip (9; 60, 70, 60A, 70A, 60B, 70B) ist.
  2. Elektronisches Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (8) einen Silicium-Leistungschip (10) aufweist.
  3. Elektronisches Leistungsmodul nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Siliciumkarbid-Leistungschip (9) der Leistungshalbleiterchip (3) einer Leistungsdiode (11) ist.
  4. Elektronisches Leistungsmodul nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Siliciumkarbid-Leistungschip (9) der Leistungshalbleiterchip eines Leistungstransistor ist.
  5. Elektronisches Leistungsmodul nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Siliciumkarbid-Leistungschip (9) der Leistungshalbleiterchip eines Junctionfeldeffekt-Leistungstransistor ist.
  6. Elektronisches Leistungsmodul nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Siliciumkarbid-Leistungschip (9) der Leistungshalbleiterchip eines MOS-Feldeffekttransistor ist.
  7. Elektronisches Leistungsmodul nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Siliciumkarbid-Leistungschip (9) der Leistungshalbleiterchip eines TRIACs oder eines Thyristors ist.
  8. Elektronisches Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Silicium-Leistungschip (10) mindestens einen Leistungstyp der Gruppe Silicium-Leistungsdiode, Silicium-Leistungstransistor, Silicium-Leistungs-MOS-Feldeffekttransistor, Silicium-Leistungs-Bipolartransistor (12) mit isoliertem Gate, Silicium-TRIAC oder Silicium-Thyristor aufweist.
  9. Elektronisches Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (8) die Leistungshalbleiterchips (2, 3) eines Silicium-Leistungs-Bipolartransistors (12) mit isolierten Gate und einer Siliciumkarbid-Leistungsdiode (11) aufweist.
  10. Elektronisches Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (8) die Leistungshalbleiterchips (2, 3) eines Silicium-Leistungs-MOS-Feldeffekttransistors und einer Siliciumkarbid-Leistungsdiode (3) aufweist.
  11. Elektronisches Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (8) den Siliciumkarbid-Leistungschip als unteren Halbleiterchip aufweist.
  12. Elektronisches Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (8) den Silicium-Leistungschip als unteren Halbleiterchip aufweist.
  13. Elektronisches Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (8) zwischen den Leistungshalbleiterchips (2, 3) mindestens eine großflächige Zwischenelektrode (13) aufweist, die elektrisch mit mindestens einer Elektrode (5) eines darunter angeordneten Leistungschips (2) und mit mindestens einer Elektrode (5) eines darüber angeordneten Leistungschips (3) verbunden ist.
  14. Elektronisches Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (8) eine Siliciumkarbid-Leistungsdiode (11) aufweist, die mit ihrer lötbaren Anode (14) auf der Emitterelektrode (15) eines Silicium-Leistungstransistors (12) angeordnet ist, wobei die Siliciumkarbid- Leistungsdiode (11) als oberer Halbleiterchip angeordnet und als Freilaufdiode geschaltet ist.
  15. Elektronisches Leistungsmodul nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der, Kollektor (16) des Silicium-Leistungstransistors (12) die Rückseite des Silicium-Leistungchips (2) bildet und über den Schaltungsträger (4) und eine Bondverbindung (17) mit der Kathode (18) der Siliciumkarbid-Leistungsdiode (11) elektrisch leitend verbunden ist, und wobei der Kollektor (16) mit einem Außenkontaktstift elektrisch leitend verbunden ist.
  16. Elektronisches Leistungsmodul nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine isolierte Gate-Elektrode (19) über eine Bondverbindung (20) mit einem Außenkontakt (6) über eine Steuersignalleitung elektrisch verbunden ist.
  17. Elektronisches Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Leistungshalbleiterchips (60, 70; 60A, 70A, 60B, 70B) des Stapels (80; 80A, 808) Siliciumkarbid-Leistungschips sind.
  18. Elektronisches Leistungsmodul nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Leistungshalbleiterchips (60, 70; 60A, 70A, 60B, 70B) des wenigstens einen Stapels (80; 80A, 80B) Siliciumkarbid-Leistungsdioden sind.
  19. Elektronisches Leistungsmodul nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass Vorderseiten und Rückseiten der Leistungshalbleiterchips (60, 70; 60A, 70A, 60B, 70B) Anschlusselektroden (61, 71; 61A, 71A, 618, 71B) der Siliciumkarbid- Leistungsdioden bilden, wobei die Rückseite eines ersten (60; 61A; 61B) der Leistungshalbleiterchips des wenigstens einen Stapels (80; 80A, 80B) auf dem Schaltungsträger (50; 51A, 51B) befestigt und mit diesem elektrisch leitend verbunden ist und die Rückseite eines zweiten (70; 71A; 71B) der Leistungshalbleiterchips auf der Vorderseite des ersten (60; 61A; 61B) Leistungshalbleiterchips befestigt und mit dieser elektrisch leitend verbunden ist.
  20. Elektronisches Leistungsmodul nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderseite (61; 61A; 61B) des ersten Leistungshalbleiterchips (60; 60A, 60B) über eine Leitungsverbindung (82; 82A, 82B) an einen ersten Außenkontakt (52; 52A, 52B) angeschlossen ist und die Vorderseite (71; 71A, 71B) des zweiten Leistungshalbleiterchips (70; 70A, 70B) über eine Leitungsverbindung (81; 81A, 81B) an einen zweiten Außenkontakt (53; 53A, 53B) angeschlossen ist.
  21. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass es zwei Stapel (80A, 80B) mit je einem ersten und einem zweiten übereinander auf einem Schaltungsträger (55) befestigten als Siliciumkarbid-Leistungsdiode ausgebildeten Leistungshalbleiterchip (60A, 70A, 60B, 70B) aufweist, wobei die Vorderseiten der ersten Leistungshalbleiterchips (60A, 60B) über Leitungsverbindungen (82A, 82B) an je einen Außenkontakt (57, 58) angeschlossen sind, die Vorderseiten (71A, 71B) über eine Leitungsverbindung (83) elektrisch leitend miteinander verbunden sind und über eine weitere Leitungsverbindung (81) an einen weiteren Außenkontakt (59) angeschlossen sind.
  22. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseiten der Leistungshalbleiterchips (60, 70; 60A, 70A, 60B, 70B) die Kathoden der Siliciumkarbid-Leistungsdioden und die Vorderseiten (61, 71; 61A, 71A, 61B, 71B) die Anoden der Siliciumkarbid-Leistungsdioden bilden.
  23. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leistungshalbleiterchip (60; 60A, 60B) des wenigstens einen Stapels (70; 70A, 70B) großflächiger als der darauf aufgebrachte zweite Leistungshalbleiterchip (70; 70A, 70B) ist.
  24. Elektronisches Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (4) mit dem Stapel (8) in einer Kunststoffgehäusemasse (21) verpackt ist und die Außenkontakte (6) aus dem Gehäuse des elektronischen Leistungsbauteils (1) herausragen.
  25. Elektronisches Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (4) mit dem Stapel (8) in einem Hohlgehäuse (22) angeordnet ist.
  26. Elektronisches Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (4) mit dem Stapel (8)in einer Silikonmasse eines Kunststoffhohlgehäuses einbettet ist.
  27. Elektronisches Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsmodul (1) ein hermetisch abgeschlossenes Metallgehäuse (23) aufweist.
  28. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Leistungsmoduls (1), das folgende Verfahrensschritte aufweist: – Bereitstellen eines mit Außenkontakten (6) verbundenen Schaltungsträgers (4; 50; 50A, 50B; 55) zur Aufnahme mindestens eines Stapels (8; 80; 80A, 80B) aus mehreren Leistungshalbleiterchips (2, 3; 60, 70; 60A, 70A, 60B, 70B), – Stapeln von mindestens zwei Leistungshalbleiterchips (2, 3; 60, 70; 60A, 70A, 60B, 70B) unter elektrischem Verbinden der Leistungshalbleiterchips (2, 3; 60, 70; 60A, 70A, 60B, 70B), wobei mindestens einer der Leistungshalbleiterchips ein Siliciumkarbid-Leistungschip ist, – Aufbringen des Stapels (8; 80; 80A, 80B) auf den Schaltungsträger (4; 50; 50A, 50B), – Herstellen von Bondverbindungen (17, 20, 25; 81, 82; 81, 82A, 82B) zwischen dem Schaltungsträger (4; 50; 50A, 50B; 55) und Elektroden (5) der Leistungshalbleiterchips (2, 3; 60, 70; 60A, 70A, 60B, 70B), – Einbringen des Schaltungsträgers (4; 50; 50A, 50B; 55)) mit mindestens dem Stapel (8; 80; 80A, 80B) aus mehreren Leistungshalbleiterchips (2, 3; 60, 70; 60A, 70A, 60B, 70B) in ein Gehäuse (7).
  29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein erster Leistungshalbleiterchip (2; 60; 60A, 60B) mit einer großflächigen Elektrode (24) auf seiner Oberseite mit seiner Rückseite auf den Schaltungsträger (4; 50; 50A, 50B; 55) aufgebracht wird und anschließend ein zweiter Leistungshalbleiterchip (3; 70; 70A, 70B) auf der großflächigen Elektrode (24) gestapelt wird.
  30. Verfahren nach Anspruch 28 oder Anspruch 29 dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine großflächige Zwischenelektrode auf dem ersten Leistungshalbleiterchip (2) mit elektrischer Verbindung zu Elektroden (5) des darunter angeordneten ersten Leistungshalbleiterchips (2) angeordnet wird und anschließend mindestens eine Elektrode (5) eines darüber angeordneten zweiten Leistungshalbleiterchips (3) mit der Zwischenelektrode verbunden wird.
  31. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass als Schaltungsträger (4; 50; 50A, 50B; 55) ein Flachleiterrahmen (26) mit mehreren Bauteilpositionen derart strukturiert wird, daß er in jeder Bauteilposition eine Chipinsel (27) zur Aufnahme eines Stapels (8) aus Leistungshalbleiterchips (2, 3) aufweist, und dass er innere Flachleiter (28) mit Bondfingern (29) aufweist, auf die Bonddrähte (17, 20, 25) gebondet werden, welche Elektroden (5) der Leistungshalbleiterchips (2, 3) untereinander und/oder mit den Außenkontakten (6) verbinden, und wobei einer der Außenkontakte (30) mit der Chipinsel (27) verbunden wird.
  32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturieren des Flachleiterrahmens (26) mittels Stanztechnik erfolgt.
  33. Verfahren nach Anspruch 31 oder Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Bonddrähte (17, 20, 25) auf den Bondfingern (29) und den Elektroden (5) der Leistungshalbleiterchips (2, 3) mittels Thermokompressionsbonden gebondet werden.
  34. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen des Schaltungsträgers (4; 50; 50A, 50B; 55) mit mindestens dem Stapel (8; 80; 80A, 80B) aus mehreren Leistungshalbleiterchips (2, 3; 60, 70; 60A, 60B, 70A, 70B) in ein Gehäuse (7) die Komponenten in eine Kunststoffgehäusemasse (21) mittels Transfermolden eingebettet werden.
  35. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen des Schaltungsträgers (4; 50; 50A, 50B; 55) mit mindestens dem Stapel (8; 80; 80A, 80B) aus mehreren Leistungshalbleiterchips (2, 3; 60, 70; 60A, 60B, 70A, 70B) in ein Gehäuse (7) die Komponenten in ein metallisches Hohlgehäuse (22) hermetisch eingeschlossen werden.
  36. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen des Schaltungsträgers (4; 50; 50A, 50B; 55) mit mindestens dem Stapel (8; 80; 80A, 80B)) aus mehreren Leistungshalbleiterchips (2, 3; 60, 70; 60A, 60B, 70A, 70B) in ein Gehäuse (7) die Komponenten in ein Kunststoffholgehäuse eingeschlossen werden und anschließend der Hohlraum mit einer Silikonmassse ausgefüllt wird.
  37. Verwendung eines Leistungsmoduls nach einem der Ansprüche 19 oder 20 zur Realisierung einer Diodenbrücke.
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