DE19612516A1

DE19612516A1 - Leistungshalbleitermodul

Info

Publication number: DE19612516A1
Application number: DE19612516A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Dr Bayerer
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1995-11-13
Filing date: 1996-03-29
Publication date: 1997-05-15
Also published as: US5744861A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektro nik. Sie betrifft ein Leistungshalbleitermodul, bei welchem eine Mehrzahl von einzelnen steuerbaren Leistungshalbleitern in Form von Halbleiterchips auf einem gemeinsamen Modulsubstrat nebeneinander angeordnet und elektrisch angeschlossen sind.

STAND DER TECHNIK

Derartige Module sind z. B. aus der EP-A1-0 597 144 bekannt.

Leistungshalbleitermodule, wie sie in der eingangs genannten Druckschrift beschrieben sind, und wie sie zur Zusammenstellung von größeren Funkti onsblöcken wie z. B. Halbbrücken für Umrichterzwecke oder dgl. in einem ge meinsamen Gehäuse untergebracht werden, umfassen häufig mehrere Halb leiterchips, die nebeneinander auf einem gemeinsamen Keramiksubstrat an geordnet sind. Das (metallisierte) Keramiksubstrat weist dabei eine Leiter bahnstruktur auf.

Diese Leiterbahnstruktur beinhaltet eine relativ große Fläche für das Auflö ten der Halbleiterchips (im Falle von IGBTs oder Insulated Gate Bipolar Transistors mit der untenliegenden Kollektor-Anschlußfläche) sowie weitere Bahnen geringerer Fläche für das Bonden oder die Cliplötung und Zwischen kontaktierung der oberseitigen Kontakte der Halbleiter und der Steuerelek troden (im Fall von IGBTs der Emitter-Anschlußfläche und der Gatean schlüsse). Die Bahnen, die auf verschiedenen Potentialen liegen, müssen dabei entsprechend der auftretenden Spannung mit mehr oder weniger Abstand voneinander angeordnet werden.

Im Falle von Modulen für hohe Spannungen im Bereich von 1000 V und höher müssen für die Abstände der Bahnen voneinander erhebliche Flächenanteile auf dem Substrat zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere beim Einsatz hochwertiger, teurer Keramiken wie z. B. AlN führt diese Art der Bauweise zu erheblichen zusätzlichen Kosten.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Leistungshalbleitermodul zu schaf fen, welches für seinen elektrischen Anschluß an die Umgebung mit einer deutlich geringeren Modul- bzw. Substratfläche auskommt.

Die Aufgabe wird bei einem Leistungshalbleitermodul der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Steueranschlüsse mehrerer der steuerbaren Lei stungshalbleiter auf einer gegenüber der Ebene des Modulsubstrats vertikal versetzten zweiten Ebene zusammengeführt sind. Durch die vertikal versetzte zweite Ebene kann gleichzeitig die lateral Ausdehnung des Substrats klein gehalten und durch den vertikalen Abstand die notwendige Isolation erreicht werden.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird die zweite Ebene durch die Oberseite einer Anschlußschiene bereitgestellt, welche auf das Substrat aufgesetzt und neben den Halbleiterchips angeordnet ist. Hierdurch wird ein stabiler und kompakter Anschlußbereich gebildet.

Besonders günstig hinsichtlich der elektrischen und mechanischen Eigen schaften ist der Aufbau, wenn gemäß einer weiteren bevorzugten Ausfüh rungsform die Anschlußschiene ein mit einer Metallisierung versehenes Ke ramiksubstrat umfaßt, die Dicke des Keramiksubstrats nach Maßgabe der erforderlichen Spannungsfestigkeit gewählt wird, das Modulsubstrat als mit einer Metallisierung versehenes Keramiksubstrat ausgebildet ist, und die An schlußschiene auf das Modulsubstrat aufgelötet ist. Das Modulsubstrat kann dabei aus einer hochwertigen Keramik, insbesondere AlN, und die Anschluß schiene aus einer weiteren Keramik, insbesondere Al₂O₃, hergestellt sein.

Weitere Vereinfachungen ergeben sich für den Aufbau des Moduls, wenn ge mäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform zwischen den Halbleiter chips und der Anschlußschiene jeweils Vorwiderstände eingefügt sind, wenn die Vorwiderstände als chipförmige Bauteile ausgebildet sind, wenn die Vor widerstände nebeneinander mit der Unterseite auf die Anschlußschiene auf gelötet sind, und wenn die Anschlußdrähte jeweils an die Oberseite der Vor widerstände angeschlossen sind.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUR

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zu sammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Die einzige Figur zeigt in perspektivischer Darstellung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein Modul nach der Erfindung.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In der einzigen Figur ist in perspektivischer Darstellung ein bevorzugtes Aus führungsbeispiel für ein Leistungshalbleitermodul nach der Erfindung wie dergegeben. Das Leistungshalbleitermodul 10 ist auf einem rechteckigen oder quadratischen Modulsubstrat 11 aufgebaut, welches aus einer Trägerkeramik mit oberseitig aufgebrachter Metallisierung 12 besteht. Als Keramikmaterial wird wegen der günstigen thermischen Eigenschaften vorzugsweise AlN ein gesetzt, um eine gute Wärmeableitung der von den Halbleitern erzeugten Verlustwärme nach unten zu ermöglichen.

Auf die Metallisierung 12 des Modulsubstrats 11 sind verschiedene flächige, ebenfalls rechteckige oder quadratische Halbleiterchips 13, 14, 15 und 16 auf gelötet. Drei der Halbleiterchips, nämlich die Chips 13, 15, und 16 beinhalten einen steuerbaren Leistungshalbleiter (z. B. in Form eines IGBT). Zum Zwecke der Ansteuerung sind auf der Oberseite dieser Chips Steueranschlüsse 23, 24 und 25 (im Falle von IGBTs sind dies Gateanschlüsse) vorgesehen, die inner halb des Moduls und nach außen hin angeschlossen werden müssen. Der Halbleiterchip 14 ist als einfache Diode ausgebildet und hat entsprechend keinen eigenen Steueranschluß.

Die Halbleiterchips 13 bis 16 haben auf ihrer Unterseite eine Metallisierung, die mit einer Elektrode des entsprechenden Bauelements (Kollektor beim IGBT, Kathode bei der Diode) verbunden ist und über die Lötung den An schluß zum Modulsubstrat herstellt. Die weiteren Elektroden und deren An schlüsse (Emitter beim IGBT, Anode bei der Diode), die auf der Oberseite der Chips angeordnet sind und z. B. durch von oben aufgelötete Laschen kontak tiert werden, sind der Einfachheit halber in der Figur weggelassen.

Um die Fläche für die Verdrahtung auf dem Modulsubstrat zu reduzieren, wird auf der Oberseite des Modulsubstrats zwischen den Halbleiterchips 13 bis 16 eine erhabene Anschlußschiene ("Gaterunner") 17 angeordnet. Die An schlußschiene 17 umfaßt ein Keramiksubstrat 18, welches auf das Modul substrat 11 aufgelötet (oder aufgeklebt) ist und beispielsweise aus einer einfa chen Al₂O₃-Keramik besteht. Auf der Oberseite der Anschlußschiene 17 ist eine Metallisierung 19 vorgesehen, die als zweite Ebene oberhalb der Modul substratebene für die Zusammenführung der Steueranschlüsse 23-25 der Halbleiterchips 13, 15, 16 dient.

Der Anschluß der einzelnen Halbleiterchips 13, 15, 16 bzw. Steueranschlüsse 23-25 an die Anschlußschiene 17 erfolgt über Anschlußdrähte 26-28, die bo genförmig von den Steueranschlüssen 23-25 zu der Anschlußschiene 17 füh ren. Mit dem einen Ende sind die Anschlußdrähte auf die Steueranschlüsse 23-25 aufgelötet. Mit dem anderen Ende sind sie auf die Oberseite von chipförmigen Vorwiderständen 20-22 aufgelötet, die nebeneinanderliegend mit ihren Unterseiten auf die Anschlußschiene 17 aufgelötet sind. Jedem der Steueranschlüsse 23-25 ist dabei einer der Vorwiderstände 20-22 zugeordnet.

Die Vorwiderstände 20-22 sind im Mittelbereich der Anschlußschiene 17 zu sammengefaßt, so daß an den beiden Querseiten der Schiene jeweils eine Anschlußfläche 29 bzw. 30 auf der Metallisierung frei bleibt, auf der nach oben abgehende Anschlüsse (Drähte oder dgl.) für die Steuerung der Lei stungshalbleiter angelötet oder anderweitig befestigt werden können. Die notwendige Isolation der Anschlußschiene 17 zum Potential auf dem Modul substrat 11 wird durch die geeignete Wahl der Dicke des Keramiksubstrats 18 erreicht.

Insgesamt ergibt sich mit dem Erfindung ein Leistungshalbleitermodul mit flächensparendem und kompaktem Aufbau bei gleichzeitig hoher mechani scher Stabilität und hervorragender Spannungsfestigkeit.

Bezugszeichenliste

10 Leistungshalbleitermodul
11 Modulsubstrat
12 Metallisierung
13-16 Halbleiterchip
17 Anschlußschiene (Gaterunner)
18 Keramiksubstrat (Anschlußschiene)
19 Metallisierung (Anschlußschiene)
20-22 Vorwiderstand
23-25 Steueranschluß (Gafeanschluß)
26-28 Anschlußdraht
29, 30 Anschlußfläche.

Claims

1. Leistungshalbleitermodul (10), bei welchem eine Mehrzahl von einzelnen steuerbaren Leistungshalbleitern in Form von Halbleiterchips (13, 15, 16) auf einem gemeinsamen Modulsubstrat (11) nebeneinander angeordnet und elektrisch angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer anschlüsse (23-25) mehrerer der steuerbaren Leistungshalbleiter auf einer gegenüber der Ebene des Modulsubstrats (11) vertikal versetzten zweiten Ebene zusammengeführt sind.

2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die zweite Ebene durch die Oberseite einer Anschlußschiene (17) bereitgestellt wird, welche auf das Substrat (11) aufgesetzt und neben den Halbleiterchips (13, 15, 16) angeordnet ist.

3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß die Anschlußschiene (17) ein mit einer Metallisierung (19) versehe nes Keramiksubstrat (18) umfaßt.

4. Leistungshalbleiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Keramiksubstrats (18) nach Maßgabe der erforderlichen Spannungsfestigkeit gewählt wird.

5. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß das Modulsubstrat (11) als mit einer Metallisierung (12) versehenes Keramiksubstrat ausgebildet ist, und daß die Anschlußschiene (17) auf das Modulsubstrat (11) aufgelötet ist.

6. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß das Modulsubstrat (11) aus einer hochwertigen Keramik, insbeson dere AlN, hergestellt ist, und daß die Anschlußschiene aus einer weiteren Keramik, insbesondere Al₂O₃, hergestellt ist.

7. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß die elektrische Verbindung zwischen den Halbleiterchips (13, 15, 16) und der Anschlußschiene (17) über Anschlußdrähte (26-28) erfolgt, welche von dem jeweiligen Halbleiterchip zur Anschlußschiene (17) verlaufen.

8. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß zwischen den Halbleiterchips (13, 15, 16) und der Anschlußschiene (17) jeweils Vorwiderstände (20-22) eingefügt sind.

9. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, daß die Vorwiderstände (20-22) als chipförmige Bauteile ausgebildet sind, daß die Vorwiderstände (20-22) nebeneinander mit der Unterseite auf die Anschlußschiene (17) aufgelötet sind, und daß die Anschlußdrähte (26- 28) jeweils an die Oberseite der Vorwiderstände (20-22) angeschlossen sind.

10. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß auf der Anschlußschiene (17) freie Anschlußflächen (29, 30) für einen Anschluß der Anschlußschiene (17) nach außen vorgesehen sind.

11. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die steuerbaren Leistungshalbleiter als IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) ausgebildet sind.