DE19703329A1 - Power semiconductor module - Google Patents

Power semiconductor module

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DE19703329A1
DE19703329A1 DE1997103329 DE19703329A DE19703329A1 DE 19703329 A1 DE19703329 A1 DE 19703329A1 DE 1997103329 DE1997103329 DE 1997103329 DE 19703329 A DE19703329 A DE 19703329A DE 19703329 A1 DE19703329 A1 DE 19703329A1
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semiconductor module
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clip
washer
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Withdrawn
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DE1997103329
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German (de)
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Peter Etter
Tony Dr Frey
Raymond Dr Zehringer
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ABB Schweiz Holding AG
ABB AB
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Asea Brown Boveri AG Switzerland
Asea Brown Boveri AB
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Publication date
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Abstract

The power semiconductor module (1) includes at least one semiconductor chip (7) which is electrically connected on its upper side by device of bonding wires (14a-e) arranged on a contact surface area (17). Additional holder devices (12, 13, 15) which press and hold the bonding wires (14a-e) on the contact surface area are provided. The holder devices are preferably formed as springy bracket (15) which consists of an, electrically and thermic well-conductive spring material, especially a temperature-proof spring steel.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie betrifft ein Leistungshalbleitermo­ dul mit wenigstens einem Halbleiter-Chip, welches auf seiner Oberseite mittels auf eine Kontaktierfläche aufgebondeten Bonddrähten elektrisch kontaktiert ist.The present invention relates to the field of Power electronics. It concerns a power semiconductor mo dul with at least one semiconductor chip, which on its Top side bonded to a contact surface Bond wires is electrically contacted.

Ein solches Leistungshalbleitermodul ist z. B. aus der EP-A1-0 597 144 bekannt.Such a power semiconductor module is e.g. B. from the EP-A1-0 597 144 known.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Hochleistungshalbleitermodule sind Komponenten für die Lei­ stungselektronik. Ein Modul beinhaltet in der Regel mehrere Halbleiterbauelemente, die zu einer logischen Funktionsein­ heit, z. B. einer Halbbrücke, zusammengefaßt werden können. Solche Module (Thyristor-, Transistor-, IGBT- oder Dioden-Mo­ dule) sind heute im Leistungsbereich bis zu 2500 V und eini­ gen 100 A weit verbreitet und werden vor allem in Industrie­ antrieben eingesetzt. High-performance semiconductor modules are components for the Lei electronic equipment. A module usually contains several Semiconductor devices that are part of a logical function unit, e.g. B. a half bridge can be summarized. Such modules (thyristor, transistor, IGBT or diode Mo dule) are today in the power range up to 2500 V and uni gen 100 A widely used and are mainly used in industry drives used.  

In Traktionsantrieben haben diese Module bisher nur sehr be­ grenzt Eingang gefunden. Dies liegt neben der begrenzten Strom- und Spannungstragfähigkeit der Module auch an der ge­ forderten Langzeit-Zuverlässigkeit, die von bisher bekannten Modulen nicht erfüllt werden kann.So far, these modules have only been very useful in traction drives borders entrance found. This is alongside the limited Current and voltage carrying capacity of the modules also on the ge demanded long-term reliability, that of previously known Modules cannot be met.

Beim heutigen Stand der Technik ist der dominierende Ausfall­ mechanismus das Ablösen von Bonddrähten auf der Oberseite der Siliziumbauelemente. Dieses Ablösen wird beobachtet nach ei­ ner Anzahl von Lastwechseln, bei denen das Bauelement mittels der selbst erzeugten Verlustwärme im Betrieb auf die maximal zulässige Betriebstemperatur aufgeheizt und danach wieder auf die Temperatur des Kühlers abgekühlt wird. Die maximale An­ zahl von Lastwechseln, nach denen der erwähnte Ausfall auf­ tritt, hängt empfindlich von der Kühlertemperatur, dem Tempe­ raturhub, und der Geschwindigkeit der Temperaturänderung ab. In jedem Fall bleibt bei den Bauelementen nach dem Stand der Technik die erreichbare Lastwechselfestigkeit um Größenord­ nungen hinter der Anforderung für den Traktionsbereich zu­ rück.The dominant failure at the current state of technology is mechanism the detachment of bond wires on the top of the Silicon devices. This peeling is observed after ei ner number of load changes in which the component by means of the self-generated heat loss during operation to the maximum permissible operating temperature is heated up and then up again the temperature of the cooler is cooled. The maximum number number of load changes after which the aforementioned failure occurs occurs depends on the cooler temperature, the tempe raturhub, and the rate of temperature change. In any case, the components remain as they are Technology the achievable fatigue strength by order of magnitude behind the requirement for the traction area return

Im herkömmlichen Modul werden bevorzugt Drähte aus Reinstalu­ minium mit einer typischen Dicke von 300-500 µm auf eine Me­ tallisierung des Halbleiter-Chips gebondet. Beim Bonden ent­ stehen am Fußpunkt des Bonds verfahrensbedingt Rißkeime, die dann aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdeh­ nung des Bonddrahtes und der benachbarten Chipmetallisierung im Verlauf der o.g. Lastwechsel entlang der Chipoberfläche weiter fortschreiten können. Im Extremfall löst sich dann der Bonddraht vollständig von der Chipmetallisierung ab. Durch Auflöten einer metallisierten Scheibe, die gut an die Ausdeh­ nungskoeffizienten sowohl von Silizium als auch Aluminium an­ gepaßt ist, auf die Chipoberfläche und Bonden der Anschluß­ drähte auf die Scheibe wird die Rißkeimbildung erheblich verringert. Jedoch tritt auch bei dieser Art des Aufbaus nach endlich vielen Lastwechseln schließlich eine Ablösung des Bonddrahtes ein.In the conventional module, wires made of pure steel are preferred minium with a typical thickness of 300-500 µm on one meter tallization of the semiconductor chip bonded. Ent when bonding there are procedural crack germs at the base of the bond, which then due to the different thermal expansion voltage of the bond wire and the neighboring chip metallization in the course of the above Load changes along the chip surface can continue to advance. In extreme cases, it will come off Bond wire completely from the chip metallization. By Solder a metallized washer that adheres well to the expansion coefficients of both silicon and aluminum is fitted on the chip surface and bonding the connector  wires on the disc, the formation of cracks becomes significant decreased. However, this type of structure also occurs finally many load changes finally a replacement of the Bond wire.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Leistungshalbleiter­ modul zu schaffen, bei welchem die Lastwechselfestigkeit dra­ stisch verbessert ist, so daß die Module auch im Traktions­ bereich einsetzbar sind.It is therefore an object of the invention to provide a power semiconductor to create module in which the fatigue strength dra is improved stisch, so that the modules also in traction range can be used.

Die Aufgabe wird bei einem Leistungshalbleitermodul der ein­ gangs genannten Art dadurch gelöst, daß zusätzlich Haltemit­ tel vorgesehen sind, welche die Bonddrähte auf die Kontak­ tierfläche drücken und auf der Kontaktierfläche halten. Der Kern der Erfindung besteht darin, die Lebensdauer der Bond­ verbindung dadurch zu erhöhen, daß durch zusätzliche Halte­ mittel die Bonddrähte gegen die Kontaktierfläche gepreßt werden. Durch den mechanischen Druck wird die Rißbildung stark behindert und eine Ablösung der Drähte sicher verhin­ dert.The task is the one in a power semiconductor module gangs mentioned solved in that additional Haltemit tel are provided, which the bond wires on the contact Press the animal surface and hold it on the contact surface. Of the The essence of the invention is the life of the bond Increase connection by additional stops medium pressed the bond wires against the contact surface will. The cracking is caused by the mechanical pressure severely hampered and safely prevent the wires from coming off different.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Moduls zeichnet sich dadurch aus, daß die Haltemittel als federnde Klammer ausgebildet sind, und die federnde Klammer aus einem elektrisch und thermisch gut leitenden Federmate­ rial, insbesondere einem temperaturbeständigen Federstahl, besteht. Durch die Ausgestaltung als federnde Klammer wird erreichte daß der Anpreßdruck der Bonddrähte auch nach län­ gerer Betriebsdauer sicher aufrechterhalten wird. A first preferred embodiment of the invention Module is characterized in that the holding means as resilient bracket are formed, and the resilient bracket from an electrically and thermally highly conductive spring mat rial, in particular a temperature-resistant spring steel, consists. The design as a spring clip achieved that the contact pressure of the bond wires also after longer service life is safely maintained.  

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf den Halbleiter-Chip eine elektrisch lei­ tende Zwischenscheibe mit ihrer Unterseite stoffschlüssig aufgebracht, insbesondere aufgelötet, ist, daß die Bond­ drähte auf die Oberseite der Zwischenscheibe aufgebondet sind, und daß die Klammer an der Zwischenscheibe befestigt ist. Durch den Einsatz der Zwischenscheibe wird eine verbes­ serte Anpassung der thermischen Ausdehnung im Anschlußbe­ reich und damit eine weitere Verringerung der Rißbildung er­ möglicht. Die Befestigung der Klammer an der Zwischenscheibe hat zur Folge, daß am Leistungshalbleiterbauelement selbst und an dem darunter befindlichen Substrat keine konstruktiven Änderungen vorgenommen werden müssen, um die Klammer anbrin­ gen zu können.A further preferred embodiment is characterized thereby records that an electrically lei on the semiconductor chip ting washer with its underside cohesively applied, especially soldered, is that the bond wires bonded to the top of the washer and that the bracket is attached to the washer is. By using the washer a verbes is adaption of the thermal expansion in the terminal area rich and thus a further reduction in the formation of cracks possible. Attaching the bracket to the washer has the consequence that the power semiconductor component itself and no constructive on the underlying substrate Changes must be made to attach the bracket to be able to.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die Klammer an der Zwischenscheibe lösbar befestigt, wo­ bei zur lösbaren Befestigung der Klammer die Zwischenscheibe an gegenüberliegenden Seiten Kerben aufweist, und die Klammer an gegenüberliegenden Seiten einwärts gebogene Klammerleisten aufweist, welche in die Kerben der Zwischenscheibe eingreifen und die Klammer auf der Zwischenscheibe lösbar halten. Hier­ durch ist es möglich, nach dem Bonden die Klammer durch ein­ faches Aufschnappen auf die Zwischenscheibe zu montieren.In a preferred development of this embodiment the clip is releasably attached to the washer where for the detachable attachment of the clip the washer has notches on opposite sides, and the bracket on the opposite side inwardly bent clip strips has, which engage in the notches of the washer and releasably hold the clip on the washer. Here by it is possible after the brackets by a to snap onto the washer.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen An­ sprüchen.Further embodiments result from the dependent An sayings.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGURENBRIEF EXPLANATION OF THE FIGURES

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden.In the following, the invention is intended to be based on exemplary embodiments len are explained in connection with the drawing.

Es zeigen Show it  

Fig. 1 im Querschnitt (entlang der Linie I-I in Fig. 2) den inneren Aufbau für ein bevorzugtes Ausfüh­ rungsbeispiel des Leistungshalbleitermoduls nach der Erfindung; und Fig. 1 in cross section (along the line II in Fig. 2) the inner structure for a preferred embodiment of the power semiconductor module according to the invention; and

Fig. 2 das Modul aus Fig. 1 in der Seitenansicht. Fig. 2 shows the module of Fig. 1 in side view.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION

In Fig. 1 ist im Querschnitt der innere Aufbau für ein bevor­ zugtes Ausführungsbeispiel des Leistungshalbleitermoduls nach der Erfindung dargestellt. Das Leistungshalbleitermodul 1 um­ faßt wenigstens einen (scheibenförmigen) Halbleiter-Chip 7 (Thyristor, Transistor, IGBT, Diode oder dgl.), welcher mit seiner (metallisierten) Unterseite mittels einer ersten Lot­ schicht 6 auf die oberseitige Metallisierung 4 eines eine Ke­ ramikplatte 3 umfassenden Substrats 2 gelötet ist. Auf der Unterseite der Keramikplatte 3 bzw. des Substrats 2 ist eine unterseitige Metallisierung 5 vorgesehen, mit welcher die Ke­ ramikplatte 3 zur Abfuhr der Verlustwärme auf einen Kühlkör­ per gelötet werden kann.In Fig. 1, the internal structure for a preferred embodiment of the power semiconductor module according to the invention is shown in cross section. The power semiconductor module 1 comprises at least one (disk-shaped) semiconductor chip 7 (thyristor, transistor, IGBT, diode or the like), which with its (metallized) underside by means of a first solder layer 6 on the top metallization 4 of a ceramic plate 3 comprehensive substrate 2 is soldered. On the underside of the ceramic plate 3 or the substrate 2 , an underside metallization 5 is provided, with which the Ke ramikplatte 3 can be soldered to a heat sink to dissipate the heat loss.

Auf die (metallisierte) Oberseite des Halbleiter-Chip 7 ist mittels einer zweiten Lotschicht 8 eine (rechteckige) Zwi­ schenscheibe 9 aufgelötet, die vorzugsweise aus einem durch­ gehend metallisierten Keramikmaterial (mit der Metallisierung 16) besteht, welches im thermischen Ausdehnungskoeffizienten an das Siliziummaterial des Halbleiter-Chip 7 (und an die aus A1 bestehenden Bonddrähte 14a-e) angepaßt ist. Die Oberseite der Zwischenscheibe 9 bildet eine Kontaktierfläche 17, auf welche zur Herstellung des elektrischen Anschlusses ein oder mehrere Bonddrähte 14 bzw. 14a-e aufgebondet sind. On the (metallized) top of the semiconductor chip 7 , a (rectangular) intermediate disc 9 is soldered by means of a second solder layer 8 , which preferably consists of a continuously metallized ceramic material (with the metallization 16 ), which has a thermal expansion coefficient on the silicon material of the Semiconductor chip 7 (and to the bonding wires 14 a-e consisting of A1) is adapted. The upper side of the intermediate disk 9 forms a contact surface 17 on which one or more bonding wires 14 or 14 a-e are bonded in order to produce the electrical connection.

Die Bonddrähte 14 bzw. 14a-e werden im Bereich der eigentli­ chen Bondverbindung zusätzlich zur Bondverbindung von oben auf die Kontaktierfläche 17 gepreßt. Der erforderliche flä­ chige Anpreßdruck wird mittels einer quer über die Bond­ drähte 14a-e verlaufenden Klammer (Clip) 15 erzeugt, die an der Zwischenscheibe 9 lösbar befestigt (eingeschnappt) ist. Zur Befestigung dienen zwei V-förmige Kerben 10, 11 an gegen­ überliegenden Seiten der Zwischenscheibe 9. In diese Kerben 10, 11 greift die Klammer 15 mit an gegenüberliegenden Seiten einwärts gebogene Klammerleisten 12, 13 ein. Grundsätzlich ist es jedoch auch denkbar, die Klammer 15 an einer anderen Stelle, z. B. am Substrat 2, zu befestigen.The bond wires 14 and 14 a-e are pressed in the area of the actual bond connection in addition to the bond connection from above onto the contact surface 17 . The required surface contact pressure is generated by means of a clamp (clip) 15 running across the bond wires 14 a-e, which is releasably attached (snapped) to the intermediate disk 9 . Two V-shaped notches 10 , 11 are used for fastening on opposite sides of the intermediate disk 9 . The clamp 15 engages in these notches 10 , 11 with clamp strips 12 , 13 bent inwards on opposite sides. In principle, however, it is also conceivable that the bracket 15 at another location, for. B. to attach to the substrate 2 .

Die Kontaktierung durch die Bonddrähte 14a-e erfolgt mit den üblichen Verfahren und Materialien der Drahtbondierung, wobei die Bonddrähte 14a-e über eine vorgegebene Bondlänge auf die Kontaktierfläche 17 aufgebondet sind. Nach erfolgter Draht­ bondierung wird die Klammer 15 über die Bondfüße der Draht­ verbindung montiert. Die Klammer 15 preßt mit dem zwischen den Klammerleisten 12, 13 angeordneten Mittelteil zusätzlich die gebondeten Aluminiumdrähte auf die metallisierte Zwi­ schenscheibe 9 und unterdrückt so das Fortschreiten der Riß­ keimbildung. Die Klammer ist von der Geometrie her so ausge­ legt, daß sie die Bonddrähte 14a-e im wesentlichen über die gesamte Bondlänge auf die Kontaktierfläche 17 drückt.The contacting by the bonding wires 14 a-e takes place with the usual methods and materials of wire bonding, the bonding wires 14 a-e being bonded to the contacting surface 17 over a predetermined bonding length. After wire bonding, the clamp 15 is mounted over the bond feet of the wire connection. The clamp 15 presses with the middle part arranged between the clamp strips 12 , 13 additionally the bonded aluminum wires onto the metallized intermediate disc 9 and thus suppresses the progression of the crack nucleation. The bracket is laid out from the geometry so that it presses the bond wires 14 a-e substantially over the entire bond length on the contact surface 17 .

Die Klammer kann z. B. aus elektrisch und thermisch gut lei­ tenden, temperaturbeständigen Federstahlmaterialien bestehen, so daß auch bei extremsten Lastwechselbedingungen (Temperaturhub) ein gleichbleibender homogener Anpreßdruck der Aluminiumbondierungen auf die auf den Halbleiter-Chip 7 gelötete Zwischenscheibe 9 gewährleistet ist. Des weiteren erhöht die Klammer 15 den Wirkungsquerschnitt für die Über­ tragung des elektrischen Stromes, so daß die einzelnen Bon­ dierungen im Vergleich zu herkömmlich gebauten Modulen weiter entlastet werden.The bracket can e.g. B. from electrically and thermally well lei tend, temperature-resistant spring steel materials, so that a constant homogeneous contact pressure of the aluminum bonds on the soldered to the semiconductor chip 7 washer 9 is guaranteed even under the most extreme load change conditions. Furthermore, the bracket 15 increases the cross section for the transmission of the electrical current, so that the individual Bon dungen are further relieved compared to conventionally built modules.

Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung auf einfache Weise ein Leistungshalbleitermodul mit einer stark verbesserten Lastwechselfestigkeit.Overall, the invention results in a simple manner a power semiconductor module with a greatly improved Fatigue strength.

BezugszeichenlisteReference list

11

Leistungshalbleitermodul
Power semiconductor module

22nd

Substrat
Substrate

33rd

Keramikplatte
Ceramic plate

4,4,

55

Metallisierung
Metallization

6,6,

88th

Lotschicht
Solder layer

77

Halbleiter-Chip
Semiconductor chip

99

Zwischenscheibe (metallisiert)
Washer (metallized)

10,10,

1111

Kerbe (V-förmig)
Notch (V-shaped)

12,12,

1313

Klammerleiste
Clip strip

14,14,

1414

a-e Bonddraht
ae bond wire

1515

Klammer (Clip)
Clip

1616

Metallisierung
Metallization

1717th

Kontaktierfläche
Contact surface

Claims (8)

1. Leistungshalbleitermodul (1) mit wenigstens einem Halbleiter-Chip (7), welches auf seiner Oberseite mittels auf eine Kontaktierfläche (17) aufgebondeten Bonddrähten (14a-e) elektrisch kontaktiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß zu­ sätzlich Haltemittel (12, 13, 15) vorgesehen sind, welche die Bonddrähte (14a-e) auf die Kontaktierfläche (17) drücken und auf der Kontaktierfläche (17) halten.1. Power semiconductor module ( 1 ) with at least one semiconductor chip ( 7 ) which is electrically contacted on its upper side by means of bonding wires ( 14 a-e) bonded onto a contact surface ( 17 ), characterized in that additionally holding means ( 12 , 13 , 15 ) are provided which press the bonding wires ( 14 a-e) onto the contact surface ( 17 ) and hold them on the contact surface ( 17 ). 2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Haltemittel als federnde Klammer (15) ausgebildet sind.2. Power semiconductor module according to claim 1, characterized in that the holding means are designed as a spring clip ( 15 ). 3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die federnde Klammer (15) aus einem elek­ trisch und thermisch gut leitenden Federmaterial, insbeson­ dere einem temperaturbeständigen Federstahl, besteht.3. Power semiconductor module according to claim 2, characterized in that the resilient bracket ( 15 ) consists of an elec trically and thermally highly conductive spring material, in particular a temperature-resistant spring steel. 4. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Halbleiter-Chip (7) eine elektrisch leitende Zwischenscheibe (9) mit ihrer Unterseite stoffschlüssig aufgebracht, insbesondere aufgelö­ tet, ist, daß die Bonddrähte (14a-e) auf die Oberseite der Zwischenscheibe (9) aufgebondet sind, und daß die Klammer (15) an der Zwischenscheibe (9) befestigt ist.4. Power semiconductor module according to one of claims 2 and 3, characterized in that on the semiconductor chip ( 7 ) an electrically conductive washer ( 9 ) with its underside applied cohesively, in particular dissolved, is that the bond wires ( 14 ae) the top of the washer ( 9 ) is bonded, and that the bracket ( 15 ) is attached to the washer ( 9 ). 5. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Klammer (15) an der Zwischenscheibe (9) lösbar befestigt ist.5. Power semiconductor module according to claim 4, characterized in that the bracket ( 15 ) on the intermediate plate ( 9 ) is releasably attached. 6. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur lösbaren Befestigung der Klammer (15) die Zwischenscheibe (9) an gegenüberliegenden Seiten Kerben (10, 11) aufweist, und daß die Klammer (15) an gegenüberlie­ genden Seiten einwärts gebogene Klammerleisten (12, 13) auf­ weist, welche in die Kerben (10, 11) der Zwischenscheibe (9) eingreifen und die Klammer (15) auf der Zwischenscheibe (9) lösbar halten.6. Power semiconductor module according to claim 5, characterized in that for the releasable attachment of the clip ( 15 ), the intermediate plate ( 9 ) on opposite sides notches ( 10 , 11 ), and that the clip ( 15 ) on opposite sides inwardly bent clip strips ( 12 , 13 ) has, which engage in the notches ( 10 , 11 ) of the washer ( 9 ) and releasably hold the clip ( 15 ) on the washer ( 9 ). 7. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerben (10, 11) V-förmig ausgebildet sind.7. Power semiconductor module according to one of claims 1 to 6, characterized in that the notches ( 10 , 11 ) are V-shaped. 8. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bonddrähte (14a-e) über eine vorgegebene Bondlänge auf die Kontaktierfläche (17) aufgebondet sind, und daß die Klammer (15) die Bonddrähte (14a-e) im wesentlichen über die gesamte Bondlänge auf die Kontaktierfläche (17) drückt.8. Power semiconductor module according to one of claims 2 to 7, characterized in that the bond wires ( 14 a-e) are bonded over a predetermined bond length to the contact surface ( 17 ), and that the clip ( 15 ) over the bond wires ( 14 ae) substantially presses the entire bond length onto the contact surface ( 17 ).
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