DE3516995C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleitereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Halbleitereinrichtung ist bereits aus der DE 32 41 508 A1 bekannt. Sie enthält ein isolierendes Substrat, wenigstens ein auf dem isolierenden Substrat angeordnetes Halbleiterelement zur Lieferung bzw. Unterbrechung eines elektrischen Stroms, eine mit dem isolierenden Substrat verbundenen Stromanschlußklemme sowie eine leitfähige Schicht, die auf dem Substrat in Form eines Leitungsmusters aufgebracht ist und das Halbleiterelement, das über eine Drahtbondverbindung mit der leitfähigen Schicht in Kontakt steht, mit der Stromanschlußklemme verbindet.
Aus der DE 82 03 300 U1 ist ein weiteres Halbleiterbauelement bekannt, bei dem auf Metallisierungen relativ dicke Metallplättchen zu liegen kommen. Diese dicken Metallplättchen sind einerseits mit Anschlußleitern sowie andererseits über Drähte mit einem Halbleiterkörper verbunden. Auch hier befinden sich keine Drähte auf der jeweiligen Metallisierung im Bereich zwischen den jeweiligen Anschlußleitern und dem Verbindungspunkt mit den Drähten. Interne Stromanschlußklemmen zur Aufnahme der Drähte im Bereich der Metallisierungen sind nicht vorhanden.
Weitere konventionelle Stromversorgungseinrichtungen mit Lei­ stungstransistoren sind in den Fig. 1 bis 3 dargestellt. Die Fig. 1 zeigt dabei das Schaltdiagramm einer üblichen Dreiphasen-Umformer-Brückenschaltung, die die genannten Leistungstransistoren enthält. Dabei stellen die stark gezeichneten Leitungsabschnitte die Hauptstromwege der Brückenschaltung dar. Sie besitzt insgesamt sechs Lei­ stungstransistoren Q1 bis Q6 und sechs Basiseingangsan­ schlüsse B1 bis B6, von denen jeweils einer mit einem Leistungstransistor Q1 bis Q6 verbunden ist. Eine positi­ ve Gleichstromanschlußklemme P ist mit den Kollektoren der Leistungstransistoren Q1, Q3 und Q5 verbunden, wäh­ rend eine negative Gleichstromanschlußklemme N mit den Emittern der Leistungstransistoren Q2, Q4 und Q6 verbun­ den ist. Wechselstromausgangsklemmen U, V und W sind je­ weils mit einem Leitungsabschnitt verbunden, der zwischen zwei Leistungstransistoren Q1, Q2 bzw. Q3, Q4 bzw. Q5, Q6 liegt und jeweils den Emitter des einen Transistors mit dem Kollektor des anderen Transistors verbindet. Die Wech­ selstromausgangsklemmen U, V und W sind mit den Anschluß­ klemmen eines nicht dargestellten Dreiphasen-Wechselstrom­ motors verbunden.
Bei einer konventionellen Stromversorgungseinrichtung ge­ mäß der Schaltungsanordnung nach Fig. 1, die nur eine re­ lativ kleine Kapazität bzw. Strombelastbarkeit aufweist, können die Leitungsabschnitte durch Metallschichtleitun­ gen gebildet sein, die auf der Oberfläche einer Schal­ tungskarte oder einer Aluminiumoxid-Schaltungskarte durch Niederschlag im Vakuum, durch Vergolden, durch Drucken, durch photolithographische oder andere geeignete Verfah­ ren aufgebracht sind. Die Stromversorgungsschaltung kann daher mit sehr hoher Integrationsdichte, einem geringen Gewicht und geringer Größe hergestellt werden. Die her­ stellbaren Metallschichtleitungen besitzen allerdings nur Dicken von einigen µm bis einigen 10 µm, so daß die Querschnitte der Metallschichtleitungen im Bereich von 5 µm2 bis 0,1 mm2 liegen. Die maximale Strombelastbarkeit der Metallschichtleitungen beträgt dabei 5 bis 6A.
Sollen in einer Halbleiter-Stromversorgungseinrichtung Ströme mit mehr als 10A geschaltet werden, so besitzt die Stromversorgungseinrichtung einen Aufbau, wie er in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist.
Auf einer wärmeabstrahlenden und aus Metall bestehenden Grundplatte 1 sind kleinere, elektrisch isolierenden Sub­ strate 2 befestigt, die beispielsweise aus Aluminiumoxid bestehen. Auf diesen isolierenden Substraten 2 sind Halb­ leiter-Leistungselemente 3a und 3b angeordnet. Die Basis­ anschlüsse und die Emitteranschlüsse der Leistungstransi­ storen 3a und 3b sind jeweils mit entsprechenden Basis- bzw. Emittereingangsklemmen 5 und 6 verbunden. Eine posi­ tive Gleichstromanschlußklemme ist mit dem Bezugszeichen 7 und eine negative Gleichstromanschlußklemme mit dem Be­ zugszeichen 8 versehen. Die bereits genannten Wechsel­ stromausgangsklemmen weisen die Bezugszeichen 9a bis 9c auf. Darüber hinaus sind interne Emitterelektroden 10a bis 10c und interne Kollektorelektroden 11a bis 11c vor­ handen. Die Halbleiterelemente 3b entsprechen den Transi­ storen Q2, Q4 und Q6 in Fig. 1, deren interne Emitterelek­ troden 10a bis 10c untereinander durch einen dicken Alu­ miniumdraht mit einem Durchmesser von etwa 300 µm bis 400 µm durch Ultraschall-Drahtbonden verbunden sind. Da­ gegen entsprechen die Halbleiterelemente 3a den Transisto­ ren Q1, Q3 und Q5 in Fig. 1, deren interne Kollektorelek­ troden 11a bis 11c ebenfalls untereinander durch einen entsprechenden dicken Aluminiumdraht 4 mittels Ultra­ schall-Drahtbonden verbunden sind.
In Fig. 3 ist ein Teil der Anordnung nach Fig. 2 vergrö­ ßert dargestellt. Dieser Teil zeigt denjenigen Bereich, der mit der positiven Gleichstromanschlußklemme 7 verbun­ den ist. Die internen Kollektorelektroden 11a bis 11c der Halbleiterelemente 3a, die den Transistoren Q1, Q3 und Q5 in Fig. 1 entsprechen, sind mit der äußeren Elek­ trode der positiven Gleichstromanschlußklemme 7 über ei­ ne gemeinsame Metallplatte 15 verbunden bzw. verlötet.
Bei dieser Halbleitereinrichtung ist es also erforder­ lich, eine erste gemeinsame Metallplatte 15 vorzusehen, um die internen Kollektorelektroden 11a bis 11c der Halb­ leiterelemente 3a mit der äußeren Elektrode der positiven Gleichstromanschlußklemme 7 zu verbinden, und darüber hinaus eine weitere und der Metallplatte 15 entsprechend ausgebildete Platte (nicht dargestellt) einzusetzen, um die internen Emitterelektroden 10a bis 10c der Halblei­ terelemente 3b mit der äußeren Elektrode der negativen Gleichstromanschlußklemme 8 zu verbinden. Diese gemeinsa­ men Metallplatten sind dann in der Lage, die relativ ho­ hen Ströme aufzunehmen. Darüber hinaus ist es erforderlich, die gemeinsamen Metallplatten mit den internen Kollektorelektroden 11a bis 11c bzw. den internen Emitter­ elektroden 10a bis 10c durch Löten oder dergleichen mit­ einander zu verbinden. Die Struktur der Halbleiter-Strom­ versorgungseinrichtung ist daher, sofern im Mittel Ströme über 10A verarbeitet werden sollen, relativ kompliziert. Die Stromversorgungseinrichtung ist schwierig zu montie­ ren und kann darüber hinaus aufgrund der genannten gemein­ samen Metallplatten nur bis zu einem gewissen Grad bezüg­ lich ihrer Größe und ihres Gewichts minimiert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Halbleitereinrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß die Strombelastung der leitfähigen Schicht in einfacher Weise und präzise auf einen größeren Wert eingestellt werden kann.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Eine Halbleitereinrichtung nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß
  • - mit der leitfähigen Schicht eine interne Stromanschlußklemme verbunden ist,
  • - das Halbleiterelement über die Drahtbondverbindung mit der internen Stromanschlußklemme in Kontakt steht,
  • - auf der leitfähigen Schicht, die die interne Stromanschlußklemme mit der Stromanschlußklemme verbindet, wenigstens ein elektrisch leitender Draht befestigt ist, um deren Strombelastung zu erhöhen, und
  • - der Draht in periodischen Abständen mit der leitfähigen Schicht verbondet ist.
Der Draht kann beispielsweise aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung bestehen.
Die leitfähige Schicht kann beispielsweise eine isolierende Grundschicht enthalten, mit der ein Kupferfilm oder ein Aluminiumfilm verbunden bzw. verlötet ist.
Andererseits kann die leitfähige Schicht auch aus einem unteren Kupferfilm und einem daraufliegenden Aluminium­ film bestehen.
Die leitfähigen Schichten werden durch Aufdampfen im Va­ kuum, durch Druck oder chemische Ätzprozesse oder durch Vergolden gebildet.
Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung dar. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltdiagramm einer Dreiphasen-Umformer- Brückenschaltung, die sowohl in der konventio­ nellen als auch in der Stromversorgungseinrich­ tung nach der Erfindung realisiert ist,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des inneren Aufbaus einer konventionellen Halbleitereinrichtung,
Fig. 3 eine vergrößerte Teilansicht der Halbleiterein­ richtung nach Fig. 2 im Bereich der positiven Gleichstromanschlußklemme,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des inneren Aufbaus einer Halbleitereinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
Fig. 5(a) und 5(b) Querschnitte durch die Halbleiterein­ richtung nach Fig. 4 im Bereich ihrer Leitungs­ abschnitte.
Die Fig. 4 und 5 zeigen eine Halbleitereinrichtung bzw. eine Leistungs- oder Stromversorgungseinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, die eine mittlere Stromkapazität bzw. Strombe­ lastbarkeit von 10 bis 30A besitzt und zur Stromsteuerung Leistungstransistoren aufweist.
Die Stromversorgungseinrichtung nach Fig. 4 besitzt eine Grundplatte 12, durch die Wärme abgestrahlt werden kann, und die aus einer Metallplatte 20 und einer darauf ange­ ordneten Isolierschicht 21 besteht (vgl. Fig. 5). Auf dieser Grundplatte 12 sind in besonderer Weise Leitungs­ muster bzw. Leitungsbahnen gebildet. Ferner sind im Be­ reich der Leitungsbahnen Halbleiter-Leistungselemente (Leistungstransistoren) 3a und 3b auf der Oberfläche der Grundplatte 12 angeordnet. Mit Hilfe von dicken Alumi­ niumdrähten 4 sind die jeweiligen Halbleiter-Leistungs­ elemente 3a und 3b mit den entsprechenden und ihnen zu­ geordneten Elektroden durch Ultraschall-Drahtbonden ver­ bunden. Mit den Basisanschlüssen sind jeweils Basisein­ gangsanschlußklemmen 5 und mit den Emitteranschlüssen je­ weils Emittereingangsanschlußklemmen 6 verbunden. Auf der Grundplatte 12 sind darüber hinaus eine positive Gleichstromanschlußklemme 7 (zur Verbindung mit dem po­ sitiven Pol) und eine negative Gleichstromanschlußklem­ me 8 (zur Verbindung mit dem negativen Pol einer Gleich­ stromquelle) angeordnet (DC-Anschlußklemmen). Ferner sind Wechselstromanschlußklemmen 9a bis 9c vorhanden (AC-An­ schlußklemmen), die mit den entsprechenden Anschlüssen eines Dreiphasen-Wechselstrommotors (nicht dargestellt) verbindbar sind.
Die isolierende und wärmeabstrahlende Grundplatte 12 ist im Detail in Fig. 5(a) dargestellt. Sie besitzt eine Platte 20f die beispielsweise aus Aluminium, aus Alumi­ niumoxid oder aus Beryllium bestehen kann. Auf der Plat­ te 20 befindet sich eine Schicht 21 aus isolierendem Ma­ terial mit einer Dicke von t = 80 µm, die beispielsweise aus einem epoxidartigen Harz bestehen kann. Auf der Schicht 21 liegt ein Kupferfilm 22, auf dem ein Alumi­ niumfilm 23 aufgebracht ist. Diese Filme 22, 23 bilden leitfähige Schichten und sind als entsprechende Lei­ tungsmuster ausgebildet.
Die Fig. 5(a) und 5(b) zeigen Quer- bzw. Längsschnitte durch leitfähige Schichten 13a, 13b, durch die jeweils die internen Kollektorelektroden bzw. die internen Emit­ terelektroden mit der positiven bzw. negativen Gleich­ stromanschlußklemme 7 bzw. 8 verbunden sind. Die positi­ ve und die negative Gleichstromanschlußklemme 7 und 8 sind auf dem Substrat 12 befestigt und mit diesem fest verbunden, z. B. verlötet. Ein Aluminiumdraht von 300 bis 600 µm Durchmesser ist durch Ultraschall-Drahtbon­ den auf den leitfähigen Schichten 13a und 13b befestigt (vgl. Fig. 5(b)), so daß auf diese Weise die erlaubte Strombelastung der leitfähigen Schichten 13a und 13b er höht werden kann.
Der genauere Aufbau der leitfähigen Schichten 13a und 13b ist in Fig. 5(b) dargestellt. Der Kupferfilm 22 be­ sitzt eine Dicke von etwa 35 µm, während der Aluminium­ film 23 eine Dicke von etwa 40 µm besitzt. Der Draht 14 kann aus reinem Aluminium oder aus Aluminium mit einem Siliciumzusatz von 0,1 bis 0,5% bestehen. Bei dem Strom­ versorgungsgerät nach Fig. 4 sind zwei Aluminiumdrähte 14 von etwa 300 bis 600 µm Durchmesser auf der leitfähigen Schicht 13b durch Drahtbonden befestigt. Aufgrund dieser beiden Drähte 14 ist es möglich, die Halbleiter-Stromver­ sorgungseinrichtung bei Strömen von 10 bis 30A zu be­ treiben.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel sind ein oder mehrere dicke Aluminiumdrähte 14 durch Ultraschall- Drahtbonden mit den leitfähigen Schichten 13a und 13b an mehreren Punkten, vorzugsweise in periodischen Abstän­ den, verbunden, so daß ein großer Strom durch die leitfähigen Schichten und den Draht bzw. die Drähte 14 fließen kann. Hierdurch wird es möglich, die gemeinsamen Metall­ elektrodenplatten, die die internen Kollektorelektroden und die internen Emitterelektroden mit den jeweiligen Gleichstromanschlußklemmen verbinden, erheblich zu ver­ kürzen bzw. fortfallen zu lassen. Die Halbleiter-Strom­ versorgungseinrichtung besitzt daher einen erheblich einfacheren Aufbau, kann leichter montiert werden und darüber hinaus mit einer höheren mittleren Strombelastung betrieben werden. Sie kann ferner relativ klein und leicht hergestellt werden.
Die leitfähigen Schichten 22, 23 können beispielsweise durch Aufdampfplattierung (Niederschlag im Vakuum), durch photolithographische oder andere geeignete chemische Pro­ zesse aufgebracht werden. Als leitfähige Schichten können nicht nur Kupfer- oder Aluminiumfilme, sondern auch Gold­ filme oder vergoldete Filme verwendet werden.

Claims (6)

1. Halbleitereinrichtung mit
  • - einem isolierenden Substrat (21),
  • - wenigstens einem auf dem isolierenden Substrat (21) angeordneten Halbleiterelement (3a, 3b) zur Lieferung bzw. Unterbrechung eines elektrischen Stromes,
  • - einer mit demm isolierenden Substrat (21) verbundenen Stromanschlußklemme (7, 8) und
  • - einer leitfähigen Schicht (22, 23), die auf dem Substrat (21) in Form eines Leitungsmusters aufgebracht ist und das Halbleiterelement (3a, 3b), das über eine Drahtbondverbindung (4) mit der leitfähigen Schicht (22, 23) in Kontakt steht, mit der Stromanschlußklemme (7, 8) verbindet,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - mit der leitfähigen Schicht (22, 23) eine interne Stromanschlußklemme (5, 6) verbunden ist,
  • - das Halbleiterelement (3a, 3b) über die Drahtbondverbindung (4) mit der internen Stromanschlußklemme (5, 6) in Kontakt steht,
  • - auf der leitfähigen Schicht (22, 23), die die interne Stromanschlußklemme (5, 6) mit der Stromanschlußklemme (7, 8) verbindet, wenigstens ein elektrisch leitender Draht (14) befestigt ist, um deren Strombelastung zu erhöhen, und
  • - der Draht (14) in periodischen Abständen mit der leitfähigen Schicht (22, 23) verbondet ist.
2. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der Draht aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung be­ steht.
3. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die leitfähige Schicht eine isolierende Grundschicht enthält, mit der ein Kupferfilm oder ein Aluminiumfilm verbunden bzw. verlötet ist.
4. Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Schicht aus einem unteren Kupferfilm (22) und einem daraufliegenden Aluminiumfilm (23) be­ steht.
5. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Schicht durch Aufdampfen im Vaku­ um, durch einen Druck- oder chemischen Ätzprozeß oder durch Vergolden gebildet ist.
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