DE19726534A1 - Leistungshalbleitermodul mit geschlossenen Submodulen - Google Patents

Leistungshalbleitermodul mit geschlossenen Submodulen

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Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie geht aus von einem Leistungshalbleitermodul mit einer Mehrzahl von Sub­ modulen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
Leistungshalbleiter für Industrie-, Traktions- und andere Anwendungen sind häufig modular aus mehreren Leistungshalbleiterbauelementen, wie z. B. Thy­ ristoren, GTOs, MCTs, Leistungsdioden, IGBTs oder MOSFETS, aufgebaut. Insbesondere MOS - gesteuerte Halbleiterchips können nur mit relativ kleinen aktiv steuerbaren Flächen bzw. Schaltleistungen hergestellt werden. Deshalb werden z. B. für ein 1200 A - Modul typischerweise 20 IGBTs zu einem Leis­ tungshalbleitermodul parallelgeschaltet.
Ein derartiges Leistungshalbleitermodul bzw. Leistungsteil ist z. B. aus der EP-A1-0 597 144 bekannt. Zur Parallelschaltung mehrerer Submodule und für ihren Anschluß nach außen wird ein hybrider leistungselektronischer Aufbau vorgeschlagen. Ein Submodul trägt auf einem Substrat mehrere, typischerweise 4-6 Leistungshalbleiter, die zu einer funktionalen Einheit zusammengeschaltet sind. Auf einer gemeinsamen Trägerplatte sind die Submodule zusammen mit einer Stapelanordnung induktionsarmer Leiterbahnschichten mit dazwischen­ liegenden Isoliermaterialschichten montiert. Die Trägerplatte ist vorzugsweise als Kühlkörper ausgeführt. Durch diesen Aufbau wird ein mechanisch stabiles, thermisch belastbares Leistungshalbleitermodul realisiert.
Die Submodule sind gehäuselos ausgeführt, um die Kontaktierung mit den Lei­ terbahnen zu vereinfachen. Bevorzugt werden Drahtbondverbindungen benutzt, aber auch Klemmkontakte oder alternative Verbindungen sind möglich. Zum Schutz der Submodule und Kontaktierungen wird auch vorgeschlagen, die montierten Submodule mit dem Leistungshalbleitermodul zu vergießen.
Dieser bekannte Modulaufbau hat erhebliche Nachteile. Die Submodule sind vor der Montage auf der Trägerplatte besonders leicht beschädigbar. Beim Funktionstest hat der Ausfall eines Halbleiterchips den Verlust des ganzen Sub­ moduls zur Folge. Es sind relativ große Keramiksubstrate und damit auch großflächige, thermisch problematische Lotverbindungen zur Trägerplatte er­ forderlich. Die Drahtbondverbindungen zwischen Submodulen und Leiterbah­ nen müssen bezüglich Stromtragfähigkeit und Temperaturzyklen sehr belastbar sein, was speziellen Aufwand und große Sorgfalt beim Bondierungsprozeß er­ fordert. Gleichwohl bleiben auf dem Leistungshalbleitermodul offenliegende Drahtbondverbindungen sehr fragil. Sind sie vergossen, so ist der Ersatz eines Submoduls schwierig oder unmöglich, d. h. bei Versagen eines einzigen Halblei­ terchips muß das ganze Leistungshalbleitermodul ausgetauscht werden. Im Betrieb können zudem durch ausfallende Chips überlastete Bondierungen sich ablösen, Lichtbögen zünden, das Substrat durchschmelzen und gefährliche Kurzschlüsse zwischen Leiterbahnen und dem Kühler verursachen.
Leistungshalbleitermodule mit geschlossenem Gehäuse sind z. B. aus der DE-PS-36 69 017 bekannt. Sie haben einen relativ komplizierten Aufbau mit meh­ reren Halbleiterbauelementen, internen Verdrahtungen, externen Anschlußlaschen, keramischen Stützern, usw. Sie sind von einem Gehäuse, typischerweise aus Kunststoff, mit Durchführungen für die Anschlüsse umgeben und innen mit weichem Gel, hartem Epoxy oder einer Kombination vergossen.
Eine solche Gehäusekapselung ist sehr aufwendig herzustellen und wenig zu­ verlässig. Insbesondere schützt die Weichvergießmasse nur unzureichend vor Feuchtigkeit oder Korrosion, wohingegen die Hartvergießmasse im Falle einer Explosion Partikel emittieren und großen Schaden anrichten kann.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Leistungshalblei­ termodul mit mehreren Submodulen anzugeben, welches sich durch einen sehr einfachen und flexiblen Aufbau, Robustheit und leichte Austauschbarkeit der Submodule und sehr gute elektrische und thermische Belastbarkeit auszeichnet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 ge­ löst.
Kern der Erfindung ist es nämlich, Leistungshalbleitermodule aus Submodulen aufzubauen, die sich durch eine Kapselung mit Außenelektroden für einen oder wenige Leistungshalbleiter auszeichnen, die auf einer gemeinsamen Bodenplat­ te reversibel befestigbar und mit von außen anschließbaren, induktionsarmen Leitern reversibel kontaktierbar sind.
Ein Ausführungsbeispiel zeigt ein Submodul mit einer Kapselung, die sich durch zwei Außenelektroden in Form eines metallisierten Substrats und einer Metall­ platte und durch einen Verguß aus einer elektrisch isolierenden Masse aus­ zeichnet.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel stellt einen bevorzugten Aufbau eines Leis­ tungshalbleitermoduls dar, bei dem durch Vorsprünge und Ausnehmungen in einer Stapelanordnung von Leiterbahnen Klemmkontakte gebildet werden, wel­ che die Submodule haltern und kontaktieren.
Andere Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls besteht in seiner verbesserten Modularität, Wartungsfreundlichkeit und Skalierbarkeit zu höhe­ ren oder tieferen Schaltleistungen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls besteht darin, daß trotz der sehr einfachen Auswechselbarkeit der Submodule eine sehr gute elektrische und thermische Ankopplung der Chips erreicht wird.
Besonders vorteilhaft ist eine verbesserte Wechsellastfestigkeit aufgrund der Druckkontaktierung der Submodule und im Fehlerfall ein günstiges, nieder­ ohmiges Kurzschlußverhalten.
Ferner ist ein wichtiger Vorteil der Erfindung auch darin zu erkennen, daß ge­ kapselte Submodule als Standardteile herstellbar und testbar sind, wodurch Materialverluste und Kosten reduziert werden können.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Submodul;
Fig. 2 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermo­ dul mit Submodulen gemäß Fig. 1;
Fig. 3 ein bekanntes Schaltschema eines IGBT mit Freilaufdiode für eine bevorzugte Bestückung eines Submoduls gemäß Fig. 1.
In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Submoduls 1, wie es Gegen­ stand der Erfindung ist. Auf einem Keramiksubstrat 2 ist mit einem üblichen Verfahren, z. B. DCB (direct copper bonding), eine Metallisierung 3 aufgebracht. Leistungshalbleiterchips 5a, 5b sind mit einem Leistungskontakt C über eine Lotschicht 4 mit der Metallisierung 3 und auf der gegenüberliegenden Flachsei­ te mit einem Leistungskontakt E über eine weitere Lotschicht 6 mit einer Mo­ lybdänscheibe 7 zusammengelötet. Ein Steuer- oder Gatekontakt G des Chips 5b ist mit einem Bondierungsdraht 9 verbunden. Chip 5a und 5b sind so mit Plastik 8 vergossen, daß sie allseitig oder zumindest weitgehend durch das Ke­ ramiksubstrat 2, die Molybdänscheibe 7 und den Verguß 8 umschlossen sind.
Durch diese Kapselung bildet das Submodul 1 eine mechanisch stabile, gegen äußere Einflüsse geschützte Einheit. Zudem dienen ein vorstehender Teil des metallisierten Substrats 2 und die Molybdänscheibe 7 dem Submodul 1 als Au­ ßenelektroden 3, 7.
In Fig. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Leistungshalbleitermoduls mit derartig gekapselten Submodulen dargestellt. Auf einer Bodenplatte 11 ist eine Stapelanordnung zweier Leiter 12, 14 mit dazwischenliegenden Isolier­ schichten 13a, 13b, 13c montiert. Ausschnitte in der Stapelanordnung sind als Steckplätze 19 für die Submodule 1 ausgestaltet. Anschlußflächen 20 zur Kon­ taktierung der Außenelektroden 3, 7 der gekapselten Submodule 1 werden durch zungenförmig hervorstehende oder nutenförmig ausgenommene Bereiche der Leiter 12, 14 gebildet. Die Halterung der Submodule 1 erfolgt über Feder­ kontakte 15, 16 an den Anschlußflächen 20. Durch den Anpressdruck besteht auch ein guter Wärmekontakt der Submodule 1 bzw. ihrer Keramiksubstrate 2 zur wärmeabführenden Bodenplatte 11. Die Bondierungsdrähte 9 sind über Klemmkontakte 21 an einen gemeinsamen, in symmetrischer Mittenposition angeordneten Gateblock (gate runner) 18 angeschlossen, der z. B. als PCB (printed circuit board) ausgeführt ist.
Fig. 3 zeigt ein bekanntes Schaltschema für das Zusammenwirken eines IGBT 22 mit einer Leistungshalbleiterdiode 23. Diese Kombination von Leistungs­ halbleiterchips 5a, 5b stellt eine bevorzugte Bestückung für ein gekapseltes Submodul 1 dar. Dabei sind die jeweiligen Leistungskontakte C, E beider Ele­ mente, nämlich Kollektor und Kathode sowie Emitter und Anode, kurzgeschlos­ sen und mit den Außenelektroden 3 sowie 7 der Submodule 1 verbunden.
Die Erfindung umfaßt auch weitere Ausführungsformen der Submodule 1 und Leistungshalbleitermodule 10, von denen einige nachfolgend näher erläutert werden.
Die Bestückung eines Submoduls 1 umfaßt mindestens ein Leistungshalblei­ terbauelement, wie z. B. Thyristor, GTO, MCT, Leistungsdiode, IGBT oder MOSFETS, wobei unter Umständen der Gatekontakt G, Bondierungsdraht 9 und Gateblock 18 wegfallen. Ein Submodul 1 kann aber auch andere Beschal­ tungskomponenten beinhalten. Jedoch soll ein Submodul 1 nur wenige Elemen­ te enthalten, um den Vorteil der Modularität und Flexibilität zu wahren. Be­ sonders wünschenswert ist eine minimale Bestückung, bei der noch eine volle Funktionalität und Testbarkeit eines Submoduls 1 gewährleistet ist, aber Mehr­ fachbestückungen zur Leistungserhöhung eines Submoduls 1 vermieden wer­ den.
Das Substrat 2 kann aus irgendeinem elektrisch isolierenden und hinreichend wärmeleitenden Material, insbesondere aus AlN, bestehen. Die Scheibe 7 kann aus Molybdän, anderen Metallen, Legierungen oder anderen Materialien mit metallischer Leitfähigkeit bestehen, sofern der thermische Ausdehnungskoeffi­ zient dem des Halbleitermaterials hinreichend ähnlich ist. Anstelle der Lot­ schichten 4, 6 und der Bondierungsdrähte 9 sind auch andere Verbindungs­ techniken anwendbar, sofern eine mechanisch stabile Kontaktierung der Chips 5a, 5b erreicht wird. Ein Submodul 1 kann auch mehrere Bondierungsdrähte 9 und allgemein mehrere Gateanschlüsse 9 für einen oder mehrere Gatekontakte G aufweisen. Die Kontaktierung am Gateblock 18 kann anstatt mit Klemmkon­ takten 21 auch mit Steckern oder anderen leicht lösbaren Kontakten realisiert sein.
Der Verguß 8 kann statt aus Plastik auch aus einer anderen elektrisch isolie­ renden Vergußmasse bestehen und wird vorzugsweise durch ein Spritzpress­ verfahren (transfer moulding) hergestellt. Insbesondere soll der Verguß 8 auch den bondierten Gatekontakt G schützen und darüberhinaus den herausgeführ­ ten Bondierungsdraht bzw. Gafeanschluß 9 mechanisch stützen. Die Gestalt des Vergusses 8 und damit des Submoduls 1 ist so gewählt, daß die spezifizier­ ten Kriechwege und Isolationsstrecken in Luft oder Gas eingehalten werden können. Das Substrat 2 und die Metallplatte 7 sind Bestandteile der Submodul­ kapselung und sollen zur mechanischen Stabilität der Kapselung beitragen. Da­ für ist es von Vorteil, wenn das Substrat 2 und die Metallplatte 7 so großflächig gewählt werden, daß sie einen wesentlichen Teil des mindestens einen Chips 5a, 5b abdecken.
Die durch die Metallisierung 3 und die Metallplatte 7 gebildeten Außenelektroden 3, 7 sind am einfachsten flächenhaft ausgebildet, können aber auch über­ stehende oder ab stehende Teile oder Laschen umfassen. Wichtig ist, daß eine zuverlässige, leicht lösbare Verbindung für hohe Ströme zwischen den Außenelektroden 3, 7 und den Leitern 12, 14 sichergestellt ist.
Der Aufbau des Leistungshalbleitermoduls 10 kann insbesondere hinsichtlich der Anordnung von Submodulen 1 und der Stapelanordnung von Leitern 12, 14 variiert werden. Je nach geforderter Schaltleistung bzw. Anzahl von Submodu­ len 1 können die Größe und Form der Bodenplatte 11, der Stapelanordnung und eines oder mehrerer Gateblocks 18 angepaßt werden. Es können ein oder mehrere Reihen nebeneinanderliegender Steckplätze 19 für Submodule 1 be­ reitgestellt sein. Erfindungsgemäße gekapselte und steckbare Submodule 1 können auch mit bekannten offenen oder fest montierten Submodulen kombi­ niert werden. Die Submodule 1 können auch angeschraubt oder anderweitig re­ versibel befestigt sein. Die Stapelanordnung kann Isolierschichten 13a, 13b, 13c aus Feststoff-, Luft- oder Gasisolation umfassen, sofern die Leiter 12, 14 ausrei­ chend beabstandet sind. Der Gateblock 18 kann durch eine dritte Schicht mit Leiterbahnen z. B. in PCB-Technik ersetzt werden. Die Leiterbahnen können sich in Ebenen erstrecken oder abgewinkelt sein und Laschen für den Anschluß von Stromschienen aufweisen. Dabei ist es besonders für Submodule 1 mit schnell schaltenden Chips 5a, 5b wie z. B. IGBTs 22 wichtig, daß die Leiter­ bahnen 12, 14, aber auch sämtliche Anschlüsse, niederinduktiv ausgelegt sind. Zur Druckkontaktierung der Außenelektroden 3, 7 der Submodule 1 können auch die Anschlußflächen 20 selber flexibel und federnd gestaltet sein und die Federkontakte 15, 16 weggelassen werden. Schließlich ist die Bodenplatte 11 vorteilhafterweise als Kühler ausgebildet oder mit einem Kühler in thermischer Verbindung. Der Kühler kann als Kühlkörper mit Rippen, als Flüssigkeitsküh­ ler oder ähnlich aufgebaut sein.
Prinzipiell ist es auch denkbar, Submodule 1 platzsparend in mehreren Ebenen übereinander anzuordnen und über eine mehrstöckige Stapelanordnung von Leiterbahnen 12, 14 zu kontaktieren, wobei eine ausreichende Wärmeableitung z. B. über Wärmebrücken zu jedem Submodule 1 gewährleistet sein muß.
Erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodule weisen neben den eingangs er­ wähnten Vorteilen insbesondere folgende Vorzüge auf. Nach der Kapselung der Submodule 1 sind keine weiteren Bondierungen oder Lötungen notwendig. Ins­ besondere entfällt die Lotschicht zwischen den großflächigen Keramiksubstra­ ten herkömmlicher Submodule und der Bodenplatte 11. Die Gefahren durch sich ablösende Bondierungen oder thermomechanisch überstrapazierter Lötverbin­ dungen sind somit weitgehend reduziert. Nach Montage der Submodule 1 im Leistungshalbleitermodul 10 ist kein weiterer Verguß erforderlich, da keine Komponenten oder Kontaktierungen mechanisch oder elektrisch geschützt wer­ den müssen. Vielmehr genügt für die spannungstragenden Teile 3, 7, 15, 16, 20 im Bereich der Steckplätze 19 eine Luftisolation 17. Wegen der flexiblen Druck­ kontaktierungen 15, 16, 20 zeichnet sich das erfindungsgemäße Leistungshalb­ leitermodul 10 durch eine sehr hohe thermische Wechselbelastbarkeit aus. Beim Ausfall von Leistungshalbleiterchips 5a, 5b kann das entsprechende Submodule 1 einen niederohmigen Kurzschluß bilden. Dies reduziert die Explosionsgefahr oder mildert zumindest das Explosionsverhalten. Darüberhinaus ist ein niede­ rohmiges Kurzschlußverhalten besonders dann von Vorteil, wenn die erfin­ dungsgemäßen Submodule 1 in Serienschaltungen eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste
1
geschlossenes Submodul
2
Keramiksubstrat
3
,
7
Außenelektroden (eines Submoduls)
3
Metallisierung
4
,
6
Lotschicht
5
a,
5
b Leistungshalbleiterchips
7
Molybdänscheibe
8
Plastikverguß, isolierende Vergußmasse
9
Bondierungsdraht, Gafeanschluß
10
Leistungshalbleitermodul
11
Bodenplatte, Kühler
12
,
14
Leiter
13
a,
13
b,
13
c Feststoffisolation, Isolierschichten
15
,
16
Federkontakte, Kontakte
17
Luftisolation, Gasisolation
18
Gateblock (gate runner)
19
Steckplätze für Submodule
20
Anschlußflächen
21
Klemmkontakte
22
IGBT
23
Leistungshalbleiterdiode
C, E Leistungskontakte
C Kollektor, Kathode
E Emitter, Anode
G Steuerkontakt, Gatekontakt

Claims (8)

1. Leistungshalbleitermodul (10) mit einer Mehrzahl von Submodulen (1) mit jeweils mindestens einem Halbleiterchip (5a, 5b), welche Submodule (1) auf einer gemeinsamen, wärmeabführenden Bodenplatte (11) gehaltert und mit von außen anschließbaren Leitern (12, 14, 18) elektrisch kon­ taktiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) der mindestens eine Halbleiterchip (5a, 5b) eines Submoduls (1) in ei­ nem Gehäuse gekapselt ist,
  • b) die Kapselung der Submodule (1) Außenelektroden (3, 7) für Lei­ stungskontakte (C, E) des mindestens einen Halbleiterchips (5a, 5b) aufweist und
  • c) die Halterung und Kontaktierung jedes gekapselten Submoduls (1) auf dem Leistungshalbleitermodul (10) leicht lösbar sind.
2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) die Kapselung der Submodule (1) einen Verguß (8) aus einer elek­ trisch isolierenden Masse umfaßt,
  • b) die Außenelektroden (3, 7) flächenhaft ausgebildet sind und
  • c) insbesondere ein Gafeanschluß (9) für einen Gatekontakt (G) des min­ destens einen Halbleiterchips (5a, 5b) durch den Verguß (8) herausge­ führt ist.
3. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß
  • a) die Kapselung der Submodule (1) ein elektrisch isolierendes Substrat (2) mit einer Metallisierung (3) und eine Metallplatte (7) umfaßt,
  • b) der mindestens eine Halbleiterchip (5a, 5b) mit seinen Leistungskon­ takten (C, E) vorzugsweise über Lotschichten (4, 6) mit der Metallisie­ rung (3) und der Metallplatte (7) elektrisch verbunden ist und
  • c) die Außenelektroden (3, 7) einen überstehenden Teil des metallisier­ ten Substrats (2) und die Metallplatte (7) umfassen.
4. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) ein Submodul (1) eine minimale Bestückung mit Halbleiterchips (5a, 5b), insbesondere einen IGBT (22) und/oder eine Leistungsdiode (23), aufweist,
  • b) das Substrat (2) ein keramisches Material enthält,
  • c) die Metallplatte (7) Molybdän enthält,
  • d) die Vergußmasse (8) aus Plastik besteht und
  • e) ein Gateanschluß (9) ein Bondierungsdraht ist.
5. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß
  • a) die Leiter (12, 14) über der Bodenplatte (11) in einem Stapel induk­ tionsarm angeordnet und untereinander für eine elektrische Isolation (13a, 13b, 13c, 17) ausreichend beabstandet sind,
  • b) Ausschnitte in der Stapelanordnung mit zungenförmig hervorstehen­ den oder nutenförmig ausgenommenen Leiterbereichen als Steckplätze (19) und Anschlußflächen (20) für gekapselte Submodule (1) ausge­ staltet sind und
  • c) insbesondere Gatekontakte der gekapselten Submodule (1) über Gate­ anschlüsse (9) mit einem Gateblock (18) verbunden sind.
6. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) die Leiter (12, 14) durch eine Feststoffisolation (13a, 13b, 13c) und im Bereich der Steckplätze (19) durch eine Luft- oder Gasisolation (17) beabstandet sind,
  • b) eine Druckkontaktierung der Außenelektroden (3, 7) der Submodule (1) durch die Anschlußflächen (20) vorgesehen ist und
  • c) insbesondere die Anschlußflächen (20) mit Federkontakten (15, 16) ausgestattet sind.
7. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 3-6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß
  • a) die Bodenplatte (11) als Kühler ausgebildet ist oder mit einem Kühler in thermischer Verbindung steht,
  • b) das Substrat (2) eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist und
  • c) die Submodule (1) nebeneinander mit einem guten Wärmekontakt zur Bodenplatte (11) befestigbar sind.
8. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Anzahl von Submodulen (1) nach Maßgabe einer geforderten Schaltleistung des Leistungshalbleitermoduls (10) gewählt ist.
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