DE3538933A1 - Leistungshalbleitermodul - Google Patents
LeistungshalbleitermodulInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Leistungshalbleiter
modul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Solche Modu
le in elektrisch isolierter Ausführung weisen eine ein
oder beidseitig metallisierte Keramikplatte als Boden
platte auf.
Mit Leistungshalbleitermodulen können Stromrichterschal
tungen oder Teile solcher Schaltungen realisiert werden.
Dazu werden auf die Bodenplatte die erforderlichen Ele
mente, z.B. Halbleiterchips, passive Bauelemente und
Verbindungselemente aufgelötet. Während des Lötvorganges
müssen die zu verlötenden Elemente an den entsprechenden
Stellen fixiert werden. Dazu werden üblicherweise Löt
formen benutzt, die speziell für das jeweilige Modul
hergestellt werden bzw. an das Modul angepaßt sind. Der
Aufwand für die Herstellung der Lötform selbst sowie der
Aufwand an Material und Arbeitszeit für die Modulher
stellung mit Hilfe der Lötform ist von der Modulgestal
tung abhängig.
Die DE-OS 34 06 528 enthält einen Vorschlag zur Verein
fachung der Lötform, wobei ein sandwichartiger Aufbau
des Moduls vorgeschlagen wird. Dabei sind die Halblei
terbauelemente zwischen einer keramischen Bodenplatte
und einer keramischen Deckplatte angeordnet. Zur Fixie
rung der Bauelemente sind Zentrierstifte und Zentrier
hülsen erforderlich, die in die Deckplatte gesteckt wer
den. Elektrische Verbindungen zwischen Bodenplatte und
Deckplatte werden durch Kontaktstempel hergestellt. Ins
gesamt sind relativ viele Einzelteile zur Herstellung
des Moduls erforderlich.
Ein weiteres Problem besteht bei Leistungshalbleitermo
dulen darin, daß eine durch das Halbleiterbauelement
ermöglichte hohe Schaltgeschwindigkeit durch hohe
Streuinduktivität der modulinternen Leitungen vermindert
wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
die genannten Nachteile bekannter Leistungshalbleitermo
dule zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird bei einem Leistungshalbleitermodul
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kenn
zeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung bestehen u. a.
darin, daß durch den mehrschichtigen Aufbau des Sub
strats eine hohe Festigkeit gegeben ist und die erfor
derliche Ebenheit der Grundfläche mit hoher Genauigkeit
erreichbar ist. Der erfindungsgemäße Aufbau des Sub
strats ermöglicht außerdem eine bandförmige Stromführung
im Substrat, wodurch die Streuinduktivität stark redu
ziert wird.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem
nachstehenden Ausführungsbeispiel, das anhand der Zeich
nung erläutert wird.
Es zeigen:
Fig. 1 Schnitt durch ein Leistungshalbleitermodul,
Fig. 2 Draufsicht auf das Leistungshalbleitermodul,
Fig. 3 elektrische Schaltung des Leistungshalbleiter
moduls.
Fig. 3 zeigt eine Halbleiterschaltung, wobei ein mit
gestrichelter Linie umrandeter Schaltungsteil 1 hervor
gehoben ist. Der Schaltungsteil 1 umfaßt einen Lei
stungstransistor 2 mit einer parallel geschalteten Diode
3 und einem Widerstand 4 vor dem Gate G des Leistungs
transistors 2. Bei dem Leistungstransistor 2 handelt es
sich um einen Power (vertikal)-MOSFET und bei der Diode
3 um eine Schottky-Freilaufdiode. In einem Leistungs
halbleitermodul können mehrere solcher Schaltungsteile 1
realisiert und zum Beispiel parallelgeschaltet sein.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine in Fig. 2 einge
tragene Schnittebene A-B, wobei ein Schnitt durch den in
Fig. 3 hervorgehobenen Schaltungsteil 1 gezeigt wird.
In Fig. 1 ist ein Substrat 5 dargestellt, das zwei kera
mische Platten 6, 7 enthält. Mit 6 ist eine keramische
Bodenplatte bezeichnet, die auf der unteren, einem nicht
dargestellten Kühlkörper zugewandten Seite eine ganzflä
chige Metallisierung 8 trägt und auf der Oberseite eine
strukturierte Metallisierung 9. Auf der strukturierten
Metallisierung 9 ist die zweite Keramikplatte 7 angeord
net. Die zweite Keramikplatte 7 ist mit Ausschnitten 10
zur Aufnahme der Halbleiterbauelemente 2, 3 versehen und
trägt auf der Oberseite eine zweite strukturierte Metal
lisierung 11. Alle Metallisierungen 8, 9, 11 bestehen
aus einer Kupferfolie, die typisch 0,1....0,5 mm dick
ist. Die Schichten des Substrats 5, nämlich die ganzflä
chige Metallisierung 8, die Bodenplatte 6, die struktu
rierte Metallisierung 9, die zweite Keramikplatte 7 und
die zweite strukturierte Metallisierung 11 und evtl.
weitere Keramik- und Metallschichten werden in einem
Arbeitsgang durch direktes Verbinden (Directbonding)
miteinander verbunden. Ein solches Verbindungsverfahren
ist z.B. in der DE-OS 30 36 128 beschrieben.
In die Ausschnitte 10 der zweiten Keramikplatte 7 werden
die vorbeloteten Halbleiterbauelemente 2, 3 sowie An
schlußelemente 12 eingesetzt, die mit der strukturierten
Metallisierung 9 zu kontaktieren sind. Anschlußelemente
13, die mit der zweiten strukturierten Metallisierung 11
zu kontaktieren sind, sowie der Widerstand 4 und ein
Clip 14 können mit einer nicht dargestellten dritten
Keramikplatte, die mit entsprechenden Ausschnitten ver
sehen und auf die Metallisierung 11 der zweiten Keramik
platte 7 aufgebracht ist, oder mit anderen Mitteln fi
xiert werden. Sämtliche Lötverbindungen werden zugleich
in einem Arbeitsgang hergestellt. Anschließend werden
weitere interne Verbindungen durch Bonden von Alumi
niumdrähten 15 hergestellt.
Die Bodenplatte 6 dient zur Isolierung gegenüber dem
Kühlkörper und sie sorgt für einen geringen Wärmewider
stand bei der Wärmeableitung von den Halbleiterbauele
menten 2, 3 zum Kühlkörper. Die zweite Keramikplatte 7
sowie evtl. weitere darüber angeordnete Keramikplatten
sind als sogenannte verlorene Lötformen anzusehen, da
sie Bestandteil des Moduls sind. Allerdings sind sie
nicht nur als verlorene Lötformen anzusehen, weil der
mehrschichtige Aufbau des Substrats 5 zusätzlich eine
hohe mechanische Festigkeit des Moduls bewirkt und es
erleichtert, bei der Herstellung des Moduls eine ebene
Bodenplatte 6 zu erreichen.
Außerdem können bei mehrschichtigem Aufbau des Substrats
5 sogenannte Bandleitungen oder Streifenleitungen für
Last- oder Ansteuerleitungen hergestellt werden, indem
Stromhin- und -rückführungen in übereinanderliegenden
Streifen ausgeführt werden. Damit wird eine sehr geringe
Induktivität und durch geeignete Dimensionierung der
Streifenbreite und der Dicke der zweiten Keramikplatte 7
ein definierter Wellenwiderstand in den Zuleitungen er
reicht. Die dadurch festgelegte Leitungsgeometrie wird
zweckmäßig bei der Herstellung von Außenanschlüssen bei
behalten, d. h. die Anschlußelemente 12, 13 haben die
gleiche Breite und den gleichen effektiven Abstand zu
einander wie die strukturierten Metallisierungen 9, 11
mit zwischenliegender zweiter Keramikplatte 7.
Eine derartige Gestaltung der Leitungsführung im Modul
erleichtert einem Anwender wesentlich die Ausnutzung der
Schaltgeschwindigkeit von z. B. MOSFETs. Durch den als
Chip-Widerstand ausgeführten Widerstand 4 in der Ansteu
erleitung ist ein impedanzangepaßter Abschluß der Zulei
tung möglich. Damit werden gleichzeitig parasitäre
Schwingungen zwischen evtl. vielen parallelliegenden
MOSFET-Gates im Modul bedämpft.
Die vorgeschlagene Schichtung mehrerer strukturierter
Keramik- und Metallschichten über der Bodenplatte 6
ermöglicht auch eine hybride Integration von Ansteuer
schaltungen in einem Leistungshalbleitermodul. Dabei
werden in Chipform realisierte Ansteuerschaltungen in
entsprechende Ausschnitte in einer Keramikschicht einge
setzt und in gleicher Weise verlötet und/oder gebondet
wie die Leistungshalbleiterchips 2, 3.
Fig. 3 zeigt einen im Modul realisierten Schaltungsteil
1 in Draufsicht. Dabei sind außer den bereits oben er
läuterten Bauteilen weitere Einzelheiten zu erkennen.
Innerhalb der-Ausschnitte 10 in der zweiten Keramikplat
te 7 sind Ausnehmungen 16 und durch die zweite Keramik
platte 7 und evtl. weitere darüberliegende Schichten
sind Bohrungen 17 vorgesehen. Die Bohrungen 17 sowie
durch die Ausnehmungen 16 entstehende Schlitze ermögli
chen es einer später einzubringenden Weichvergußmasse,
die der elektrischen Isolierung dient, zwischen die
strukturierten Metallisierungsflächen 9, 11 zu kriechen.
Die Herstellung der Ausschnitte 10 mit Ausnehmungen 16
sowie der Bohrungen 17 erfolgt an sogenannten grünen,
d. h. noch nicht gesinterten Keramikplatten. Die Struktur
der Kupferschichten entsteht entweder durch entsprechen
des Stanzen der Kupferfolien vor dem Verbinden mit der
Keramik oder, soweit die Kupferschichten dann noch zu
gänglich sind, durch Ätzen des Kupfers nach dem Verbin
den mit der Keramik.
Das fertig bestückte Substrat 5 kann nach Herstellung
der Löt- und Bondverbindungen in bekannter Weise in ein
hauben- oder rahmenförmiges Kunststoffgehäuse eingesetzt
werden, wobei das Substrat 5 den Modulboden bildet. Die
ganzflächige Metallisierung 8 auf der Unterseite des
Moduls ist als vorteilhafte Ausgestaltung anzusehen,
jedoch nicht unbedingt erforderlich. Sie sorgt für einen
guten Wärmekontakt und kann z. B. geringfügige Rauhigkei
ten der Kühlkörperoberfläche ausgleichen, so daß das
Modul ohne Wärmeleitpaste montiert werden kann. Durch
eine obere Öffnung im Kunststoffgehäuse kann das Modul
mit Weichvergußmasse bis zu einem gewünschten Füllstand
gefüllt werden. Die Anschlußelemente 12, 13 werden durch
entsprechende Öffnungen im Kunststoffgehäuse geführt,
wodurch der vorgesehene Abstand zueinander sicherge
stellt wird. In den Anschlußelementen 12, 13 vorgesehene
Dehnungsbogen 18 entlasten das Substrat 5 von mechani
schen Belastungen, die von äußeren Anschlüssen ausgehen
können.
Claims (7)
1. Leistungshalbleitermodul mit einer keramischen
Bodenplatte, die mindestens auf einer Seite metallisiert
ist und mindestens einer zweiten, parallel zur Boden
platte angeordneten Keramikplatte, dadurch gekennzeich
net, daß aus der Bodenplatte (6) der zweiten Keramik
platte (7) und gegebenenfalls weiteren Keramikplatten
mit jeweils zwischengelegter strukturierter Metallfolie
für eine Metallisierung (9, 11) durch direktes Verbinden
ein mehrschichtiges Substrat (5) gebildet ist, wobei die
zweite Keramikplatte (7) und gegebenenfalls weitere Ke
ramikplatten mit Ausschnitten (10) versehen sind, in die
Bestückungselemente (2, 3, 4,12,13,14) eingesetzt und dort
während eines Lötvorganges fixiert sind.
2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, da
durch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (6) auf der
unteren einem Kühlkörper zugewandten Seite mit einer
Metallisierung (8) versehen ist.
3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß aus den strukturierten Me
tallisierungen (9, 11) und der zweiten Keramikplatte (7)
Streifenleitungen mit definiertem Wellenwiderstand ge
bildet sind.
4. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 3, da
durch gekennzeichnet, daß Anschlußelemente (12, 13) für
äußere Modulanschlüsse mit der Breite und dem Abstand
der Streifenleitungen angeordnet sind, um den definier
ten Wellenwiderstand der internen Streifenleitungen bis
zum äußeren Anschluß fortzusetzen.
5. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorste
henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Modul
mindestens eine Ansteuerschaltung für einen eingesetzten
steuerbaren Leistungshalbleiter enthalten ist.
6. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorste
henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Modul
in ein hauben- oder rahmenförmiges Kunststoffgehäuse
eingesetzt ist.
7. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorste
henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Keramik
platten (7) und Metallisierungen (11) oberhalb der Bo
denplatte (6) mit Ausnehmungen (16) und Bohrungen (17)
versehen sind, die es einer eingefüllten Weichvergußmas
se ermöglichen, an vorgesehene Stellen des Moduls zu
gelangen.
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