DE19950026A1

DE19950026A1 - Leistungshalbleitermodul

Info

Publication number: DE19950026A1
Application number: DE19950026A
Authority: DE
Inventors: Kuno Wolf; Gerhard Koelle; Juergen Zaremba; Wolfgang Jacob; Alexander Wallrauch; Christoph Ruf; Ralf Schmid; Peter Urbach; Bernd Bireckoven; Hans-Reiner Kraus; Dirk Scholz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-10-09
Filing date: 1999-10-09
Publication date: 2001-04-12
Anticipated expiration: 2019-10-10
Also published as: EP1145316A3; EP1145316A2; HUP0200604A3; JP2003511864A; HUP0200604A2; KR20010104308A; DE19950026B4; HU225864B1; US6697257B1; WO2001027997A2; JP4886137B2; KR100665933B1; WO2001027997A3

Abstract

Um bei einem Leistungshalbleitermodul, welches einen Stapel aus in mehreren Lagen übereinander angeordneten Trägersubstraten umfaßt, die auf zumindest einer Hauptoberfläche mit wenigstens einer Leiterbahn versehen sind, wobei zwischen zwei benachbarten Trägersubstraten des Stapels wenigstens ein elektronisches Halbleiterbauelement angeordnet ist, das mit wenigstens einer Leiterbahn eines im Stapel über dem Halbleiterbauelement angeordneten Trägersubstrats und mit wenigstens einer weiteren Leiterbahn eines im Stapel unter dem Halbleiterbauelement angeordneten Trägersubstrats elektrisch und wärmeleitend kontaktiert ist, eine verbesserte Wärmeabgabe bei gleichzeitig möglichst kompaktem Aufbau zu realisieren, wird vorgeschlagen, die beiden äußeren Trägersubstrate des Stapels als eine obere und eine untere Gehäusewand eines geschlossenen das wenigstens eine Halbleiterbauelement umgebenden Gehäuseteils auszubilden und die Zwischenräume zwischen den gestapelten Trägersubstraten durch eine an den Trägersubstraten befestigte umlaufende Wandung dicht zu verschließen.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit den im Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 angegebenen Merk malen.

Ein derartiges Leistungshalbleitermodul ist beispielsweise aus der WO 98/15005 bekannt geworden und weist mehrere Halb leiterbauelemente auf, die auf der Oberseite mit einer Lei terbahnebene eines ersten Trägersubstrats und auf der Unter seite mit einer Leiterbahnebene eines zweiten Trägersubstrats elektrisch verbunden sind. Der aus den beiden Trägersubstra ten und den dazwischen angeordneten Halbleiterbauelementen gebildete Stapel kann durch Übereinanderschichten weiterer Trägersubstrate erweitert werden, wobei zwischen jeweils zwei Trägersubstrate jeweils eine Lage mit Halbleiterbauelementen vorgesehen ist. Zur Verbesserung der Wärmeableitung wird auf wenigstens einem der beiden äußeren Trägersubstrate eine Me tallplatte angeordnet, die als Wärmesenke dient.

Zum Schutz der elektronischen Schaltung vor Feuchtigkeit und Schmutz muß die aus dem Stapel und der Wärmesenke gebildete Anordnung in ein hermetisch abgedichtetes Gehäuseteil einge setzt werden. Nachteilig dabei ist, daß die Wärme zunächst auf die Wärmesenke abfließt und erst anschließend durch eine Gehäusewand nach außen gelangen kann. Wenn die Wärmesenke zu gleich als Gehäusewand, beispielsweise als metallischer Ge häuseboden vorgesehen ist, bestehen größere Probleme bei der hermetischen Abdichtung des Gehäuses. Da die Wärmesenke recht groß sein muß, um eine effiziente Kühlung zu erreichen, muß ein insgesamt unhandlich großer Aufbau hermetisch verkapselt werden, wobei die Ausgestaltung des Gehäuses von der Größe der verwandten Wärmesenke beziehungsweise des Kühlkörpers ab hängt. Die Wärmesenke in dem verkapselten Gehäuse kann nach träglich nicht mehr verändert werden, so daß eine flexible Anpassung des Kühlkörpers an den Typ und die Anzahl der wär meerzeugenden Halbleiterbauelemente nicht möglich ist.

Erschwerend kommt hinzu, daß aufgrund der starken Wärmeent wicklung der Leistungshalbleiter in vielen Fällen das Lei stungshalbleitermodul mit einer Kühlflüssigkeit gekühlt wer den muß. Bei den bekannten Anordnungen müssen in aufwendiger Weise Kühlkanäle in den Kühlkörper eingebracht werden, die von einer Kühlflüssigkeit durchströmt werden. Da die Kühlka näle an dem im Gehäuseinnenraum befindlichen Kühlkörper aus gebildet sind, muß ein erheblicher Aufwand getrieben werden, um eine Zu- und Ableitung des Kühlmittels in das hermetisch abgedichtete Gehäuse zu ermöglichen.

Vorteile der Erfindung

Mit dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul nach dem Anspruch 1 der Anmeldung werden diese Nachteile vermieden. Dadurch, daß das jeweilige oberste und unterste Trägersub strat des Stapels zugleich eine obere und untere Gehäusewand des Leistungshalbleitermoduls bildet und die von den Halblei terbauelementen erzeugte Wärme auf die äußeren Trägersubstra te abgeleitet wird, wird erreicht, daß die Wärme von den äu ßeren Trägersubstraten direkt an den das Gehäuseteil umgeben den Außenraum abgegeben werden kann und nicht innerhalb des Gehäuseteils auf einen Kühlkörper abgeleitet wird. Das Gehäu seteil umfaßt vorteilhaft die aus den äußeren Trägersubstra ten gebildete obere und untere Gehäusewand sowie eine die vier Seitenwände des Gehäuseteils bildende umlaufende Wan dung, welche an den Trägersubstraten befestigt ist. Auf ein fache Weise kann so ein hermetisch dichter und äußerst kom pakter Aufbau realisiert werden, der zudem eine sehr effizi ente Wärmeableitung an die Gehäuseumgebung ermöglicht. Beson ders vorteilhaft ist, daß das erfindungsgemäße Leistungshalb leitermodul ohne aufwendige Gestaltung von Kühlkanälen und ohne Abänderung des Gehäuseaufbaus in ein umströmendes Kühl medium eingesetzt oder aber mit einem Kühlkörper kontaktiert werden kann. Vorteilhaft wird die auf die äußeren Trägersub strate abgeleitete Wärme unmittelbar an die jeweils bevorzug te Wärmesenke abgegeben. Durch die vielfältigen und flexiblen Einsatzmöglichkeiten bietet das erfindungsgemäße Leistungs halbleitermodul erhebliche Vorteile gegenüber den im Stand der Technik bekannten Lösungen.

Weiterentwicklungen der Erfindung und vorteilhafte Ausführun gen werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merk male ermöglicht.

Dadurch, daß die elektrische Kontaktierung der Halbleiter bauelemente mit dem jeweiligen über dem Halbleiterbauelement angeordneten Trägersubstrat und mit jeweiligen unter dem Halbleiterbauelement angeordneten Trägersubstrats durch Lö ten hergestellt ist, wird eine besonders rasche Ableitung der Wärme im Stapel auf die äußeren Trägersubstrate ermög licht.

Die Wärmeableitung kann noch dadurch verbessert werden, daß die Zwischenräume zwischen den gestapelten Trägersubstraten vollständig durch ein fließfähiges, aushärtbares und wärme leitendes Medium aufgefüllt sind.

Vorteilhaft kann das fließfähige, aushärtbare und wärmelei tende Medium zugleich auf die senkrecht zu den Hauptoberflä chen der Trägersubstrate verlaufenden Stirnseiten der Trä gersubstrate derart aufgetragen werden, daß das fließfähige, aushärtbare Medium die umlaufende Wandung bildet. Hierdurch kann ein zusätzlicher Herstellungsschritt zur Festlegung der Wandung an dem Stapel vermieden werden.

Vorteilhaft kann als fließfähiges, aushärtbares und wärme leitendes Medium ein kapillar fließfähiger Kleber verwandt werden.

In einem anderen Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß das fließfähige, aushärtbare und wärmeleitende Medium aus Spritzmasse besteht. Der aus den Trägersubstraten und den Halbleiterbauelementen bestehende Stapel kann dann bei spielsweise in einem Spritzpreßverfahren, beziehungsweise durch Transferformen hergestellt werden.

Vorteilhaft werden die Anschlüsse des Leistungshalbleitermo duls durch Kontaktelemente gebildet, die mit jeweils einer auf einem Trägersubstrat angeordneten Leiterbahn elektrisch kontaktiert sind und seitlich aus den Zwischenräumen zwi schen den Trägersubstraten herausgeführt und durch die um laufende Wandung aus dem Gehäuseteil nach außen geführt sind. Wenn die umlaufende Wandung aus einem elektrisch leit fähigen Material besteht, können beispielsweise Isolier durchführungen für die Kontaktelemente vorgesehen sein. Um einen hermetisch dichten Verschluß des Gehäuseteils zu er reichen, können die Isolierdurchführungen beispielsweise als Glasdurchführungen in jeweils einer Ausnehmung der umlaufen den Wandung eingebracht sein.

In einem anderen Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß die umlaufende Wandung zumindest teilweise an den senkrecht zu der Hauptoberfläche der Trägersubstrate verlaufenden Stirn seiten der Trägersubstrate festgelegt ist. Die Wandung kann beispielsweise aus einem einzigen Metallstreifen hergestellt werden, der auf die Stirnseiten der Trägersubstrate aufge klebt oder aufgelötet oder in sonstiger Weise befestigt wird.

Besonders vorteilhaft ist es, die umlaufende Wandung durch wenigstens einen geschlossen umlaufenden Rahmen auszubilden, welcher zwischen ein oberes und ein unteres Trägersubstrat derart eingelegt wird, daß zumindest das wenigstens eine Halbleiterbauelement vollständig von dem Rahmen umgeben wird, wobei der Rahmen mit dem oberen Trägersubstrat und dem unteren Trägersubstrat dicht verbunden ist. In diesem Fall ist für jeden Zwischenraum zwischen zwei Trägersubstraten jeweils ein Rahmen erforderlich.

Vorzugsweise sind die Rahmen als Metallrahmen ausgebildet und mit einer umlaufenden Leiterbahn des oberen Trägersub strats und mit einer umlaufenden Leiterbahn des unteren Trä gersubstrats großflächig verlötet. Die Verlötung der Rahmen erfolgt vorteilhaft zusammen mit der Verlötung der Halblei terbauelemente auf den Leiterbahnen der Trägersubstrate. Die Herstellung eines derartigen Leistungshalbleitermoduls ist besonders einfach und zuverlässig durchführbar. Da die um laufenden Rahmen keine seitliche Herausführung der Anschlüs se aus dem Zwischenraum zwischen den Trägersubstraten erlau ben, werden die elektrischen Anschlüsse der Halbleiterbau elemente über Durchkontaktierungen in den Trägersubstraten nach außen geführt und auf der Außenseite der äußeren Trä gersubstrate mit Kontaktelementen elektrisch verbunden.

In einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Er findung ist vorgesehen, daß in dem Stapel wenigstens ein Trägersubstrat mit einer elastisch federnden Schicht ange ordnet ist, wobei der gebildete Stapel in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Trägersubstrate elastisch federnd komprimierbar ist. Vorteilhaft wird hierdurch ermöglicht, daß das Leistungshalbleitermodul in eine entsprechend ausge staltete Nut oder Tasche eines Kühlkörpers eingesetzt werden kann, wobei durch die Spannkraft der elastisch federnden Schicht die äußeren Trägersubstrate fest gegen den Kühlkör per angedrückt werden. Eine Schraubverbindung ist hierfür nicht erforderlich. Die elastisch federnde Schicht kann bei spielsweise aus einem elastisch verformbaren Kunststoff ge fertigt werden. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, die elastisch federnde Schicht durch mehrere in einer Ebene angeordnete Federelemente auszubilden.

Figuren

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Zeichnungen dargestellt und sind in der Beschreibung erläutert. Es zeigt

Fig. 1a einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbei spiel des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls,

Fig. 1b einen Schnitt durch Fig. 1a längs der Linie B-B,

Fig. 1c einen Schnitt durch Fig. 1a längs der Linie C-C,

Fig. 1d einen Schnitt durch Fig. 1a längs der Linie A-A,

Fig. 2a einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbei spiel der Erfindung,

Fig. 2b einen Schnitt durch Fig. 2a längs der Linie D-D,

Fig. 3a einen Querschnitt durch ein drittes Ausführungsbei spiel der Erfindung,

Fig. 3b einen Schnitt durch Fig. 3a längs der Linie D-D,

Fig. 4 einen Querschnitt durch ein viertes Ausführungsbei spiel der Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, umfaßt das Leistungshalblei termodul einen Stapel aus mehreren Trägersubstraten 1, 2, 3. In den hier dargestellten Ausführungsbeispielen umfaßt das Lei stungshalbleitermodul insgesamt drei Trägersubstrate, es ist aber auch möglich, einen Stapel aus nur zwei Trägersubstraten oder aus mehr als drei Trägersubstraten zu verwenden. Die Trägersubstrate 1, 2, 3 sind in dem Beispiel der Fig. 1a bis 1d sogenannte IMS-Substrate (Insulated-metal-substrat), welche jeweils eine Metallplatte 11, 12, 13 umfassen. Die Metallplatte ist auf wenigstens einer Hauptoberfläche mit einer dünnen isolierenden Schicht 21, 22, 23, 24 versehen. Auf die isolieren de Schicht ist jeweils eine dünne Metallschicht aufgebracht, in der Leiterbahnen 31-36 durch Strukturieren in bekannter Weise ausgebildet sind. So umfaßt das erste Trägersubstrat 1 auf seiner Unterseite die Leiterbahnen 31, 32. Das Trägersub strat 2 weist auf der Oberseite eine Leiterbahn 33 und auf der Unterseite zwei Leiterbahnen 34 und 35 auf. Das dritte Trägersubstrat weist auf seiner Oberseite eine Leiterbahn 36 auf. Wie in Fig. 1a dargestellt ist, sind in den beiden Zwi schenräumen 4, 5 zwischen den drei Trägersubstraten 1, 2, 3 Halbleiterbauelemente 40-43 angeordnet. Wie in Fig. 1a und Fig. 1c zu erkennen ist, sind die Halbleiterbauelemente 41 und 43 mit ihrer Unterseite auf die Leiterbahn 36 des unteren Trägersubstrats 3 aufgelötet und dadurch mit der Leiterbahn 36 elektrisch kontaktiert. Das zweite Trägersubstrat 2 ist mit den unteren Leiterbahnen 34 und 35 auf die Oberseite der Halbleiterbauelemente 41, 43 aufgelötet. Die Leiterbahn 34 ist dabei jeweils mit einem nicht dargestellten ersten Anschluß und die zweite Leiterbahn 35 mit einem zweiten Anschluß der Halbleiterbauelemente 41, 43 elektrisch verbunden. Auf die obere Leiterbahn 33 des mittleren zweiten Trägersubstrats sind zwei weitere Halbleiterbauelemente 40, 42 aufgelötet. Den Abschluß des Stapels bildet ein erstes Trägersubstrat 1, wel ches mit Leiterbahnen 31, 32 auf die Halbleiterbauelemente 40, 42 aufgelötet ist. Die Halbleiterbauelemente 40-43 sind beispielsweise Leistungstransistoren.

Der Stapelaufbau ist aber nicht auf das gezeigte Ausführungs beispiel beschränkt. So können in jedem Zwischenraum 4, 5 des Stapelaufbaus weitere Halbleiterbauelemente und andere elek tronische Schaltungsteile vorgesehen sein. Die Halbleiterbau elemente können mit den Leiterbahnen 31-36 auch über einen elektrisch leitfähigen Kleber verbunden werden. Bevorzugt wird aber das Auflöten der Halbleiterbauelemente, da über die Lotverbindungen eine besonders rasche Ableitung der von den Halbleiterbauelementen erzeugten Wärme auf die äußeren Trä gersubstrate 1 und 3 erfolgt. Weiterhin ist es natürlich auch möglich, mehr als drei Trägersubstrate in der gezeigten Weise übereinander zu stapeln oder auch nur zwei Trägersubstrate zu verwenden. Gegebenenfalls können in die Trägersubstrate Durchkontaktierungen eingebracht werden, um die verschiedenen Leiterbahnebenen miteinander zu verbinden oder um die Wär meableitung in einer Richtung senkrecht zu den Trägersubstra ten zu verbessern. Die Auswahl der Trägersubstrate ist nicht auf IMS-Substrate beschränkt. So können beispielsweise auch DCB-Substrate (Direct copper bonded) mit einem Keramikkern oder andere geeignete Substrate verwandt werden.

Wie in Fig. 1a und Fig. 1c zuerkennen ist, bildet das obere Trägersubstrat 1 und das untere Trägersubstrat 3 des im we sentlichen quaderförmigen Stapels eine obere und untere Ge häusewand des Leistungshalbleitermoduls. Die vier Seitenwände des Gehäuseteils werden durch eine umlaufende Wandung 70 ge bildet, welche an den senkrecht zu den Hauptoberflächen der Trägersubstrate 1, 2, 3 verlaufenden Stirnseiten 15, 16, 17 der Trägersubstrate festgelegt ist. Die Wandung 70 kann als Me tallfolie ausgebildet sein und ist beispielsweise durch Lö ten, Aufkleben oder in anderer Weise an den Stirnseiten der Trägersubstrate befestigt. Wie in Fig. 1b und 1d gezeigt sind sechs Kontaktelemente 51-56 mit jeweils einer der Leiterbah nen 31-36 kontaktiert. Die dem Leistungshalbleitermodul zuge wandten Enden der Kontaktelemente sind hierfür in den Zwi schenräumen 4, 5 der Trägersubstrate mit den zugeordneten Lei terbahnen verlötet oder in anderer geeigneter Weise kontak tiert. Wie in Fig. 1d zu erkennen ist, ist das Kontaktelement 53 beispielsweise mit der Leiterbahn 33 elektrisch verbunden. Die Kontaktelemente 51, 55 sind mit den oberen, in Fig. 1d nicht zu erkennenden Leiterbahnen 31 und 32 verlötet. Dies kann zusammen mit der Auflötung der Halbleiterbauelemente durchgeführt werden.

Wie weiterhin dargestellt ist, sind die von dem Leistungs halbleitermodul abgewandten Enden der Kontaktelemente 51 bis 56 durch die Wandung 70 aus dem Gehäuseteil herausgeführt. Glasdurchführungen 59, die in Öffnungen an der Stirnwand 71 der Wandung 70 vorgesehen sind und die Kontaktelemente kon zentrisch umgeben, dienen der Isolation der Kontaktelemente gegenüber der metallischen Wandung 70. Die Wandung 70 kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. So kann bei spielsweise die Stirnwand 71 mit den Glasdurchführungen sepa rat hergestellt und mit einer U-förmig um die Trägersubstrate gewickelten Metallfolie verbunden werden, wie dies am besten in Fig. 1d zu erkennen ist. Wenn die Stirnwand 71 etwas von dem Stapel der Trägersubstrate beabstandet ist, wie in Fig. 1a dargestellt ist, dienen Abdeckungen 72, 73, die mit der oberen und unteren Gehäusewand einerseits und mit der Stirn wand 71 andererseits verbunden sind, der Abdichtung des Ge häuseteils. Bei einer geeigneten Ausbildung der Kontaktele mente 51-56 kann die Stirnwand 71 aber auch direkt auf eine Stirnseite der Trägersubstrate aufgelegt werden. Der mögliche Abstand zwischen der Stirnwand 71 und den Trägersubstraten und die Zwischenräume 4, 5 zwischen den Trägersubstraten kön nen mit einem fließfähigen, aushärtbaren und wärmeleitenden Medium, beispielsweise einem Kapillarkleber gefüllt werden, der beispielsweise aus der Flip-Chip-Technik als Underfill bekannt ist. Durch das fließfähige, aushärtbare und wärmelei tende Medium wird die Wärmeableitung an die äußeren Träger substrate 1, 3 verbessert und außerdem die Dichtigkeit des ge bildeten Gehäuses erhöht. Vorzugsweise ist das Gehäuseteil durch die Festlegung der Wandung 70 an den Stirnwänden 15, 16, 17 hermetisch dicht verschlossen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 2a und 2b dargestellt. Die drei Trägersubstrate 1, 2, 3 bestehen in diesem Beispiel aus DCB-Substraten, die jeweils eine Keramikplatte 61, 62, 63 aus beispielsweise Al₂O₃ oder AlN aufweisen, die auf ihrer Ober- und Unterseite mit einer Kup ferlage beschichtet ist. In den Kupferlagen sind Leiterbahnen 30-37 strukturiert, wobei die Leiterbahnen 31 bis 36 den in Fig. 1a und 1c gezeigten Leiterbahnen entsprechen. In den Zwischenräumen 4, 5 zwischen den Trägersubstraten 1, 2, 3 sind Halbleiterbauelemente 40-47 angeordnet, die mit den Leiter bahnen 31 bis 36 wie in dem ersten Ausführungsbeispiel be schrieben verlötet sind. Anders als in dem Ausführungsbei spiel von Fig. 1a-1d wird hier die umlaufende Wandung durch zwei umlaufende rechteckförmige Rahmen 80 gebildet, wobei in jeweils einem Zwischenraum 4, 5 jeweils ein geschlossener Rah men angeordnet ist, der die dort untergebrachten Halbleiter bauelemente umgibt. Die Rahmen 80 sind vorzugsweise metalli sche Rahmen, die mit umlaufenden Leiterbahnen 38, 39 der Trä gersubstrate verlötet sind. Wie dargestellt, ist beispiels weise der obere Rahmen 80 mit einer geschlossenen Leiterbahn 39 auf dem Trägersubstrat 2 und mit einer geschlossenen Lei terbahn 38 des Trägersubstrats 1 verlötet, wobei die Halblei terbauelemente 40, 42, 44, 46 sämtliche innerhalb der geschlos senen Leiterbahnen 38, 39 zwischen den Trägersubstraten 1, 2 angeordnet sind. Die elektrischen Anschlüsse des Leistungs halbleitermoduls sind anders als in Fig. 1 nicht an den Sei ten aus dem Stapel herausgeführt, sondern über Durchkontak tierungen 81-86 mit Kontaktelementen 51-56 auf den Außensei ten der äußeren Trägersubstrate 1, 3 verbunden. Die Kontakt elemente 51-56 werden durch Strukturieren aus den äußeren Lei terbahnen 30 und 37 des Stapels gebildet und sind gegebenen falls durch Metallfolien verstärkt. Vorzugsweise stehen die von dem Leistungshalbleitermodul abgewandten Enden der Kon taktelemente 51-56 als Anschlußfahnen von dem Leistungshalb leitermodul ab. Wie in Fig. 2a und 2b dargestellt, können hierzu die mit den oberen Anschlüssen der Halbleiterbauele mente 40, 42, 44, 46 verbundenen Leiterbahnen 31 und 32 direkt über Durchkontaktierungen 81 und 85 nach außen geführt wer den, währen die mit der unteren Anschlußfläche der Halblei terbauelemente 40, 42, 44, 46 verbunden Leiterbahn 33 über ein Kontaktstück 88 mit der Durchkontaktierung 83 verlötet ist. Die Verlötung des Kontaktstücks 88 kann zusammen mit der Ver lötung der Halbleiterbauelemente 40, 42, 44, 46 erfolgen, wobei die Höhe des Kontaktstückes der Höhe der Halbleiterbauelemen te in etwa entspricht. Entsprechendes gilt für die Leiterbah nen 34-36 und die unteren Halbleiterbauelemente 41, 43, 45, 47 und unteren Kontaktstücke 88.

In den Fig. 3a und 3b ist ein drittes Ausführungsbeispiel dargestellt, das sich von dem in den Fig. 2a und 2b ge zeigten Beispiel nur dadurch unterscheidet, daß das mittlere Trägersubstrat 2 andersartig aufgebaut ist. Wie zu erkennen ist, umfaßt das Trägersubstrat 2 eine zentrale Schicht 90, welche elastisch federnd ausgebildet ist. Beispielsweise be steht die Schicht 90 aus einem elastisch verformbaren Kunst stoff oder aus mehreren in einer Ebene angeordneten Federele menten. Auf die Ober- und Unterseite der elastisch verformba ren Schicht 90 ist jeweils eine Keramikschicht 62a und 62b aufgebracht. Auf die von der elastischen Schicht 90 abgewand te Seite der Keramikschicht 62a und 62b ist eine Leiterbahn 33 und 34 aufgebracht. Ansonsten erfolgt der Aufbau des Lei stungshalbleitermoduls gleichartig zu dem in der Fig. 2a dar gestellten Beispiel. Es ist aber auch denkbar die Leiterbah nen 33 und 34 unmittelbar auf die elastische Schicht 90 auf zubringen und auf die Keramikschichten 62a und 62b zu ver zichten, falls die elastische Schicht 90 aus einem elektrisch isolierenden Material besteht, beispielsweise einem Kunst stoff.

Durch die elastisch federnde Schicht 90 ist der Stapel der Trägersubstrate senkrecht zur Hauptoberfläche der Trägersub strate komprimierbar. Trotz der Verformbarkeit des Stapels ist das Gehäuse des Leistungshalbleitermoduls jedoch immer dicht verschlossen, da sich die beiden Rahmen 80 im Falle ei ner Komprimierung relativ zueinander bewegen. Das dargestellt Leistungshalbleitermodul kann beispielsweise durch Zusammen drücken in die nutförmige Aufnahme eines Kühlkörpers 95 ein gesetzt werden. Durch die Spannkraft der elastisch federnden Schicht werden die äußeren Trägersubstrate 1 und 3 mit den äußeren Leiterbahnen 30 und 37 fest gegen den Kühlkörper an gepreßt und so die Wärmeabgabe verbessert. Ein Verschrauben des Leistungshalbleitermoduls mit dem Kühlkörper ist hierfür nicht erforderlich.

Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hier sind die Trägersubstrate 1, 2, 3 DCB-Substrate mit einer zentralen Keramikplatte 61, 62, 63. Im Unterschied zu den in Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispielen wird hier die umlaufende Wandung nicht durch eine an den Trägersubstraten befestigte gewickelte Wand und auch nicht durch mehrere ge stapelte umlaufende Rahmen gebildet, sondern durch Spritz masse 101 die in einem entsprechend ausgestalteten Spritz werkzeug derart in die Zwischenräume 4, 5 zwischen den Träger substraten 1, 2, 3 und auf die Stirnseiten 15, 16, 17 der Träger substrate gespritzt ist, daß nach dem Entformen des Werkzeugs eine umlaufende Wandung 100 aus Spritzmasse auf den Stirnsei ten 15-17 verbleibt, welche das Leistungshalbleitermodul her metisch dicht verkapselt. Die Anschlüsse 51-56 des Leistungs halbleitermoduls werden durch Kontaktelemente gebildet, die mit den Leiterbahnen 31-35 ähnlich wie in Fig. 1 verlötet werden. Die Kontaktelemente können vor dem Umspritzen vor teilhaft in eine gewünschte Form gebogen werden.

Zur Kühlung kann das in den Fig. 1-4 dargestellt Lei stungshalbleitermodul in eine strömende Kühlflüssigkeit oder den Luftstrom eines Kühlaggregats eingebracht werden. Die äu ßeren Trägersubstrate 1, 3 werden dann unmittelbar durch ein das Gehäuseteil umströmendes Kühlmittel gekühlt.

Claims

1. Leistungshalbleitermodul umfassend einen Stapel aus in mehreren Lagen übereinander angeordneten Trägersubstraten (1, 2, 3), die auf zumindest einer Hauptoberfläche mit wenig stens einer Leiterbahn (31-36) versehen sind, wobei zwischen zwei benachbarten Trägersubstraten des Stapels wenigstens ein elektronisches Halbleiterbauelement (40-47) angeordnet ist, das mit wenigstens einer Leiterbahn (31-36) eines im Stapel über dem Halbleiterbauelement angeordneten Trägersub strats und mit wenigstens einer weiteren Leiterbahn (31-36) eines im Stapel unter dem Halbleiterbauelement angeordneten Trägersubstrats elektrisch und wärmeleitend kontaktiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Trägersub strate (1, 3) des Stapels eine obere und eine untere Gehäuse wand eines geschlossenen das wenigstens eine Halbleiterbau element (40-47) umgebenden Gehäuseteils bilden, wobei die von dem Halbleiterbauelement erzeugte Wärme zumindest teil weise auf die durch die äußeren Trägersubstrate (1, 3) gebil dete obere und untere Gehäusewand abgeleitet und von dort an die Umgebung des Gehäuseteils abgegeben wird, und daß die Zwischenräume (4, 5) zwischen den gestapelten Trägersubstra ten durch eine an den Trägersubstraten befestigte umlaufende Wandung (70, 80, 100) dicht verschlossen sind.

2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das durch die obere und untere Gehäusewand (1, 3) und die umlaufende Wandung (70, 80, 100) gebildete Ge häuseteil ein hermetisch dichtes Gehäuseteil ist.

3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die elektrische Kontaktierung des wenigstens einen Halbleiterbauelementes (40-47) mit der wenigstens ei nen Leiterbahn (31-36) des über dem Halbleiterbauelement an geordneten Trägersubstrats und mit der wenigstens einen wei teren Leiterbahn (31-36) des unter dem Halbleiterbauelement angeordneten Trägersubstrats durch Löten hergestellt ist.

4. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zwischenräume (4, 5) zwischen den gestapel ten Trägersubstraten (1, 2, 3) vollständig durch ein fließfä higes, aushärtbares und wärmeleitendes Medium (101) aufge füllt sind. (Fig. 4)

5. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß das fließfähige, aushärtbare und wärmeleitende Medium auf die senkrecht zu den Hauptoberflächen der Träger substrate (1-3) verlaufenden Stirnseiten (15, 16, 17) der Trä gersubstrate derart aufgetragen ist, daß das fließfähige, aushärtbare Medium (101) zugleich die umlaufende Wandung (100) bildet. (Fig. 4)

6. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das fließfähige, aushärtbare und wärme leitende Medium (101) ein kapillar fließfähiger Kleber ist.

7. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, daß das fließfähige, aushärtbare und wärme leitende Medium (101) Spritzmasse ist.

8. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß Kontaktelemente (51-56) vorgesehen sind, die mit jeweils einer auf einem Trägersubstrat (1-3) angeordne ten Leiterbahn (31-36) elektrisch kontaktiert sind und seit lich aus den Zwischenräumen (4, 5) zwischen den Trägersub straten (1-3) herausgeführt und durch die umlaufende Wandung (70, 100) aus dem Gehäuseteil nach außen geführt sind. (Fig. 1a-1d, Fig. 4)

9. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß in der umlaufenden Wandung (70) Isolierdurch führungen (59) für die Kontaktelemente (51-56) vorgesehen sind. (Fig. 1a-1d)

10. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Isolierdurchführungen (59) Glasdurch führungen sind, welche jeweils in eine Ausnehmung der umlau fenden Wandung (70) eingebracht sind und ein Kontaktelement (51-56) hermetisch dicht umgeben.

11. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß die umlaufende Wandung (70) zumindest teilweise an den senkrecht zu der Hauptoberfläche der Trä gersubstrate (1-3) verlaufenden Stirnseiten (15, 16, 17) der Trägersubstrate festgelegt ist. (Fig. 1a-1d)

12. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die umlaufende Wandung durch wenigstens einen geschlossen umlaufenden Rahmen (80) gebildet wird, der zwischen ein oberes und ein unteres Trägersubstrat (1, 2, 3) derart eingelegt ist, daß zumindest das wenigstens eine Halbleiterbauelement (40-47) vollständig von dem Rahmen (80) umgeben wird, wobei der Rahmen mit dem oberen Trägersubstrat und dem unteren Trägersubstrat dicht verbunden ist. (Fig. 2a, 2b, 3a, 3b)

13. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 12, dadurch ge kennzeichnet, daß der Rahmen (80) ein Metallrahmen ist und mit einer umlaufenden Leiterbahn (38) des oberen Trägersub strats und mit einer umlaufenden Leiterbahn (39) des unteren Trägersubstrats großflächig verlötet ist.

14. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 12 oder 13, da durch gekennzeichnet, daß die elektrischen Anschlüsse der Halbleiterbauelemente (40-47) über Durchkontaktierungen (81-86) in den Trägersubstraten (1, 2, 3) nach außen geführt und auf der Außenseite der äußeren Trägersubstrate (1, 3) mit Kontaktelementen (51-56) elektrisch verbunden sind.

15. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Stapel wenigstens ein Trägersubstrat (2) mit einer elastisch federnden Schicht (90) angeordnet ist derart, daß der gebildete Stapel in ei ner Richtung senkrecht zur Ebene der Trägersubstrate (1, 2, 3) elastisch federnd komprimierbar ist. (Fig. 3a, 3b)

16. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 15, dadurch ge kennzeichnet, daß die elastisch federnde Schicht (90) aus einem elastisch verformbaren Kunststoff gefertigt ist.

17. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 15, dadurch ge kennzeichnet, daß die elastisch federnde Schicht (90) durch mehrere in einer Ebene angeordnete Federelemente gebildet wird.