DE10333315B4 - Leistungshalbleitermodul - Google Patents

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Abstract

Leistungshalbleitermodul
mit einem Leistungsbereich (16), der von einem ersten Substrat (1a) gebildet ist, auf dessen Oberseite (2) und/oder Unterseite (3) mindestens eine Leitungsbahn (6, 7) zur Stromzuführung und/oder Stromwegführung für mindestens ein auf dem ersten Substrat (1a) angeordnetes Leistungshalbleiterelement (10, 11) vorgesehen ist, gekennzeichnet durch
einen externe Anschlüsse (30, 31) bildenden, ebenen Verbindungsbereich (18), der von einem zweiten Substrat (1b) gebildet ist und auf dem zumindest eine mit dem Leistungsbereich (16) elektrisch verbundene, bandförmige Leitungsbahn (7b) vorgesehen ist, wobei
mindestens eines der Substrate (1a, 1b) niederohmig und/oder niederinduktiv ausgeführt ist, indem stromführende Leitungsbahnen (6, 7) mit entgegengesetzter Stromrichtung nahe beieinander angeordnet sind und sich großflächig einander gegenüberstehen.

Description

  • Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Leistungshalbleitertechnik und ist auf den externen Anschluss eines Leistungshalbleitermoduls gerichtet, das Leistungshalbleiter, wie beispielsweise IGBTs, enthält.
  • Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit einem Leistungsbereich, der auf einem ersten Substrat gebildet ist, auf dessen Oberseite und/oder Unterseite mindestens eine Leitungsbahn (z.B. Metallisierung) zur Stromführung zu und/oder von mindestens einem auf dem ersten Substrat angeordneten Leistungshalbleiterelement vorgesehen ist.
  • Bei einem derartigen, aus der DE 197 21 061 A1 bekannten Leistungshalbleitermodul sind mehrere Leistungshalbleiterelemente, nämlich IGBTs und Freilaufdioden, (nachfolgend auch Leistungshalbleiter genannt) auf beidseitig kupferkaschierten Substraten (DCB-Substrate) angeordnet und kontaktiert. Die Kupferkaschierung auf der Substratoberseite ist entsprechend der Elektrodenausbildung der Leistungshalbleiter in Leiterflächen und Leitungsbahnen strukturiert. Zum Anschluss der Leistungshalbleiter an äußere elektrische Zu- oder Ableitungen sind Lötpfosten oder Löthaken vorgesehen. Diese sind mit den Leistungshalbleitern oder mit den Leitungsbahnen über Bonddrähte verbunden.
  • Mit zunehmender Leistungsanforderung steigen auch die Stromdichten, für die diese externen elektrischen Anschlussanordnungen ausgelegt sein müssen. Diesen Anforderungen werden klassische Verbindungstechniken, wie z.B. das in der DE 197 21 061 A1 dargestellte mehrfache Draht-Bonden, nicht mehr ohne weiteres gerecht. Mehrfaches Draht-Bonden ist fertigungstechnisch aufwendig und führt zu einer unerwünschten Steigerung der Induktivität solcher Verbindungen, die bei hohen Stromsteilheiten während schneller Schaltvorgänge der Leistungshalbleiter das System schädigende Überspannungen verursachen können. Ein langsameres Schalten in dem Bestreben, derartige Überspannungen zu reduzieren, führt zu unerwünscht höheren Schaltverlusten.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Leistungshalbleitermoduls für hohe Stromdichten und Stromsteilheiten, das niederinduktiv und niederohmig ist und dabei einfache mechanische und elektrische Ankopplung an externe Zu- oder Ableitungen ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Leistungshalbleitermodul gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Die Aufgabe wird bei einem Leistungshalbleitermodul der eingangs genannten Art insbesondere gelöst durch einen niederinduktiven und niederohmigen Leistungsbereich und/oder einen niederinduktiven Verbindungsbereich, deren Leiterbahnen nach dem Prinzip der Bandleitung aufgebaut sind. Eine Bandleitung ist dadurch charakterisiert, dass stromführende Leiterbahnen mit entgegengesetzter Stromrichtung möglichst nah beieinander angeordnet sind und sich großflächig gegenüber stehen (wie z.B. "Busbar").
  • Indem sowohl im Leistungsbereich als auch im Verbindungsbereich die stromführenden Verbindungen nach dem Bandleitungsprinzip realisiert sind, ist ein niederinduktives und niederohmiges Leistungshalbleitermodul geschaffen, bei dem vorteilhafterweise die Stromführung z.B. zum sog. Leistungs-Busbar und/oder zum sog. Steuerbus ohne aufwendige Hilfselemente realisiert werden kann. Der Verbindungsbereich und der Leistungsbereich können aus einem Substrat oder aus zwei einzelnen Substraten hergestellt sein.
  • Zur elektrischen Verbindung zwischen Verbindungs- und Leistungsbereich, die nach dem Prinzip der Bandleitung ausgelegt sind, können bekannte Verbindungstechniken genutzt werden (Durchkontaktierung, Lot, Metallbügel). Für den Fall, dass beide Substrate aus einem Grundsubstrat hervorgehen, kann eine oder mehrere Substratmetallisierung direkt als Verbindung genutzt werden. Dies ermöglicht eine an parasitären Induktivitäten und Widerständen besonders arme Anordnung, die ohne aufwendige zusätzliche elektrische Verbindungselemente auskommt.
  • Insbesondere wenn mehrere Verbindungsabschnitte erforderlich sind, ist es fertigungstechnisch bevorzugt, dass zumindest ein Verbindungsabschnitt eine breitflächige Lotverbindung oder ein Metallbügel ist.
  • Um besonders hohe Stromdichte zu- bzw. ableiten zu können und/oder um eine große Gestaltungsvielfalt bei dem Schaltungslayout zu schaffen, ist nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass auf dem ersten und auf dem zweiten Substrat jeweils beidseitig bandförmige Leitungsbahnen vorgesehen sind.
  • Eine für die mechanische Verbindung mit und für den elektrischen Anschluss an externe(n) Leitungen alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das erste und das zweite Substrat rechtwinklig zueinander orientiert sind.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
  • 1a und 1b die Ober- und (teilweise) die Unterseite bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls verwendeter Substrate,
  • 2 ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul
  • 3a, 3b, 3c und 3d Details aus 2 und diesbezügliche Varianten,
  • 4 ein weiteres erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul,
  • 5 ein weiteres erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul,
  • 6 eine Realisierung des externen Anschlusses eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls,
  • 7 einen Anschluss eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls an einen externen Busbar.
  • 1a zeigt ein Substrat 1 mit einer Oberseite 2 und einer Unterseite 3. Die Ansicht der Unterseite 3 ist in 1b teilweise gezeigt. Bei dem Substrat handelt es sich um ein DCB (Direct Copper Bonding)-Substrat dessen Ober- und Unterseite unter Zwischenlage einer Isolationsschicht kupferkaschiert ist. Durch an sich bekannte Strukturierungsverfahren (z.B. Ätzverfahren) sind auf der Oberseite bandförmige Leitungen oder Leitungsbahnen 6, 7 ausgebildet. Auf diesen sind Leistungshalbleiter 10, 11 mit ihrer jeweiligen Unterseite aufgebracht und kontaktiert. Auch die Frontseiten der Leistungshalbleiters sind durch Bonddrähte (z.B. 14) leitend mit der benachbarten Leitungsbahn 6 verbunden.
  • Das Substrat 1 ist – wie in 1a und 1b zunächst nur durch eine gestrichelt dargestellte Trennlinie 15 angedeutet – in zwei Segmente oder (Teil)Substrate 1a, 1b unterteilt, die einen Leistungsbereich 16 und einen ebenen Verbindungsbereich 18 bilden. Im Leistungsbereich sind die Leistungshalbleiter 10, 11 angeordnet. Der Verbindungsbereich dient zum externen Anschluss des Moduls (z.B. an Steuerleitungen, Lastleitungen oder Versorgungsleitungen) und kann auch zur mechanischen Ankopplung oder Befestigung des Moduls dienen.
  • Die Leitungsbahn 7 erstreckt sich beim Ausführungsbeispiel aus dem Leistungsbereich über einen Verbindungsabschnitt 19 in den Verbindungsbereich hinein. Der Verbindungsabschnitt ist im Übergangsbereich zwischen Leistungs- und Verbindungsbereich ausgebildet und bei dieser Ausführungsform integraler Bestandteil der Bahn 7. Der Verbindungsabschnitt kann – wie im Zusammenhang mit den 3b bis 3d noch näher erläutert – auch von separaten Verbindungselementen gebildet sein. Dabei ist der leistungsbereichseitige Teil 7a der Leitungs bahn 7 mit dem Teil 7b der Leitungsbahn 7 im Verbindungsbereich verbunden.
  • Wie 1b verdeutlicht, ist rückseitig auf der Unterseite 3 des Substrats 1 im Leistungsbereich 16 (linksseitig der Trennlinie 15) eine weitere Leitungsbahn 22 und im Verbindungsbereich 18 (rechtsseitig der Trennlinie 15) eine Leitungsbahn vorgesehen.
  • 2 zeigt – wobei für entsprechende Elemente dieselben Bezugszeichen wie in den 1a, 1b verwendet werden ein erfindungsgemäßes Modul, bei dem das erste Substrat (teil) 1a und das zweites Substrat (teil) 1b an der Trennlinie getrennt und rechtwinklig zueinander orientiert zusammengesetzt sind. Bei der Trennung ist die oberseitige Kupferkaschierung unversehrt geblieben, so dass die Leitungsbahn 7 nahtlos aus dem Leistungsbereich (Teil 7a der Leitungsbahn) zum Verbindungsbereich gelangt und zu einem in 2 nicht sichtbaren Anschluss 30 (Teil 7b der Leitungsbahn) führt. Die Stromflussrichtung ist beispielhaft durch einen Pfeil P angedeutet.
  • 3a zeigt als Detail eine Seitenansicht in Pfeilrichtung A in 2. Man erkennt die auch im Verbindungsabschnitt 19 unversehrte Leitungsbahn 7, die so den Übergangsbereich zwischen Leistungsbereich und Verbindungsbereich überbrückt und zum Anschluss 30 führt.
  • Die Leitungsbahn 6 verläuft unter dem hochkant orientierten zweiten Substrat 1b und endet im Leistungsbereich kurz vor der Trennlinie am Substrat 1b. Dieses bildet mit der Leitungsbahn 24 einen elektrischen Anschluss 31. Der Anschluss 31 kann in den nachfolgend beschriebenen Varianten mit der Leitungsbahn 6 kontaktiert werden. Die 3b bis 3d zeigen dazu Schnittansichten entlang der Linie III-III in 2 mit Varianten bezüglich der Verbindung der Leitungsbahn 6 mit dem Anschluss 31 bzw. 30 (3d).
  • Gemäß 3b kann zwischen dem Ende 6a der Leitungsbahn 6 eine Verbindung durch eine Lötung 35 in der Kehle zwischen den Substraten 1a, 1b geschaffen sein.
  • 3c zeigt eine Variante, bei der das Ende 6a der bandförmigen Leitungsbahn 6 über einen flächig auf die Substrate 1a, 1b aufgelöteten Metallbügel 36 mit dem Anschluss 31 verbunden ist, der wiederum mit der Leitungsbahn 6 verbunden ist.
  • Wie 3d zeigt, kann der Anschluss 31 (Leitungsbahn 24) auch mittels Durchkontaktierungen 37 mit dem Anschluss 30 verbunden sein.
  • 4 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul mit einem ersten Substrat (teil) 40 und einem zweiten Substrat(teil) 41. Die Substratteile sind durch eine virtuelle Trennlinie 42 in einen Leistungsbereich 44 und einen Verbindungsbereich 45 getrennt. Im Leistungsbereich befindet sich wie ausführlich beschrieben ein Halbleiterbauelement 47. Sowohl die obere 50 als auch die untere Metallisierungsschicht 51 der Substrate 40, 41 dient wie durch Pfeile P angedeutet der Stromführung. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Substratteile in einer Ebene und körperlich nicht getrennt (vereinzelt). Das Halbleiterbauelement 47 ist über einen Bonddraht mit einer Leitungsbahn 52 verbunden, die im Verbindungsbereich in der Metallisierung 50 ausgebildet ist und zur externen mechanischen und elektrischen Fixierung bzw. Ankopplung des Moduls dienen kann. Die elektrische Verbindung von Leitungsbahnen, die in den Metallisierungsschichten 50, 51 ausgebildet sind, erfolgt über einen breiten Metallbügel 58, der um die Substratkante greift und mit der Oberseite bzw. Unterseite verlötet ist. Die Metallisierungen 50 und 51 sind im Verbindungsbereich 45 jeweils so ausgebildet, dass sie unmittelbar als mechanische und elektrische Anschlüsse für die externe Ankopplung geeignet sind und nach dem Prinzip der Bandleitung ausgeführt sind.
  • Die in 5 gezeigte Variante unterscheidet sich von dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel dadurch, dass statt des Metallbügels eine Durchkontaktierung 60, die eine Reihe von leitenden Durchgängen 61 umfasst, vorgesehen ist. Die untere Metallisierung 51 kann dabei mit einer Isolierfolie 65 überzogen sein.
  • Die 6 und 7 zeigen die sich aus dem erfindungsgemäßen Aufbau des Leistungshalbleitermoduls ergebenden Vorteile bei Montage und externem Anschluss.
  • 6 zeigt im Querschnitt ein Leistungshalbleitermodul, das mit seinem Verbindungsbereich 70 eine erste Öffnung 72 oder einen Schlitz in einem sogenannten Busbar 73 durchdringt. Der Busbar dient zur Zuführung oder Abführung hoher Gleichströme, die beispielsweise von dem Leistungshalbleitermodul zu schalten sind. Mit seinem Endbereich 74 ist der Verbindungsbereich 70 in eine Öffnung einer Steuerleitung 75 eingebracht und durch beispielsweise Lötungen elektrisch mit dieser verbunden. Abgewinkelte Anschlusskontakte 76, 78 erstrecken sich parallel zu den Anschlussflächen, die wie zuvor ausführlich beschrieben, in Form der Leitungsbahnen im Verbindungsbereich ausgebildet sind. Die Anschlusskontakte 76, 78 können dabei in Richtung zum Verbindungsbereich oder zum Leistungsbereich orientiert sein. Die Verbindungsstellen zwischen Modul und Peripherie können durch Löten oder Verschweißen der Anschlussflächen mit den Anschlusskontakten erzeugt werden, so dass der Charakter einer niederohmig, niederinduktiv und durchgängig bandförmigen Stromleitung der hohen Leistungsströme erhalten bleibt.
  • 7 zeigt perspektivisch eine Ankopplung eines Substrats 79 an einen Busbar 80, der einen abgewinkelten oberen Busbarkontakt 82 und einen abgewinkelten unteren Busbar-Kontakt 83 aufweist. Diese Kontakte 82, 83 sind Teil einer oberen bzw. unteren Busbarverschienung 86, 87, die durch eine zwischenliegende Isolierschicht 88 elektrisch isoliert sind. Das Substrat 79 ragt mit seinem Verbindungsbereich 90 durch einen Schlitz 92 im Busbar 80, in den die Kontakte 82, 83 hineinragen.
    • A
    Pfeil
    P
    Pfeil
    1
    Substrat
    1a,1b
    Substrat (teile)
    2
    Oberseite
    3
    Unterseite
    6,7
    Leitungsbahnen
    6a
    Ende
    7a,7b
    Teile der Leitungsbahn
    10,11
    Leistungshalbleiter
    14
    Bonddrähte
    15
    Trennlinie
    16
    Leistungsbereich
    18
    Verbindungsbereich
    19
    Verbindungsabschnitt
    22
    Leitungsbahn
    24
    Leitungsbahn
    30
    Anschluss
    31
    Anschluss
    35
    Lötung
    36
    Metallbügel
    37
    Durchkontaktierungen
    40
    Substrat (teil)
    41
    Substrat (teil)
    42
    virtuelle Trennlinie
    44
    Leistungsbereich
    45
    Verbindungsbereich
    47
    Halbleiterbauelement
    50
    obere Metallisierungsschicht
    51
    untere Metallisierungsschicht
    52
    bandförmige Leitungsbahn
    58
    Metallbügel
    60
    Durchkontaktierung
    61
    Durchgänge
    65
    Isolierfolie
    70
    Verbindungsbereich
    72
    erste Öffnung
    73
    Busbar
    74
    Endbereich
    75
    Steuerleitung
    76,78
    Anschlusskontakte
    79
    Substrat
    80
    Busbar
    82,83
    Busbarkontakte
    86,87
    Busbarverschienung
    88
    Isolierschicht
    90
    Verbindungsbereich
    92
    Schlitz

Claims (7)

  1. Leistungshalbleitermodul mit einem Leistungsbereich (16), der von einem ersten Substrat (1a) gebildet ist, auf dessen Oberseite (2) und/oder Unterseite (3) mindestens eine Leitungsbahn (6, 7) zur Stromzuführung und/oder Stromwegführung für mindestens ein auf dem ersten Substrat (1a) angeordnetes Leistungshalbleiterelement (10, 11) vorgesehen ist, gekennzeichnet durch einen externe Anschlüsse (30, 31) bildenden, ebenen Verbindungsbereich (18), der von einem zweiten Substrat (1b) gebildet ist und auf dem zumindest eine mit dem Leistungsbereich (16) elektrisch verbundene, bandförmige Leitungsbahn (7b) vorgesehen ist, wobei mindestens eines der Substrate (1a, 1b) niederohmig und/oder niederinduktiv ausgeführt ist, indem stromführende Leitungsbahnen (6, 7) mit entgegengesetzter Stromrichtung nahe beieinander angeordnet sind und sich großflächig einander gegenüberstehen.
  2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein im zwischen Leistungsbereich (16) und Verbindungsbereich (18) ausgebildeter Verbindungsabschnitt (19) ein integraler Abschnitt einer sich sowohl im Leistungsbereich als auch im Verbindungsbereich erstreckenden bandförmigen Leitungsbahn (7) ist.
  3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt eine breitflächige Lotverbindung (35), eine Durchkontaktierung (37) oder ein Metallbügel (36) ist.
  4. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem ersten und auf dem zweiten Substrat (1a, 1b) jeweils beidseitig bandförmige Leitungsbahnen (6,7; 22, 24) vorgesehen sind.
  5. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat (1a) zu dem zweiten Substrat (1b) rechtwinklig orientiert ist.
  6. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste (1a) und zweite Substrat (1b) aus einem gemeinsamen Ursprungssubstrat (1) hergestellt sind.
  7. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bandförmigen Leitungsbahnen im Leistungsbereich durch Metallbügel (58) und/oder Durchkontaktierungen (61) zur elektrischen Verbindung von ober- und unterseitiger Metallisierung vorgesehen sind.
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