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PATENTANSPRÜCHE
1. Elektronisches Schaltungsmodul, insbesondere für die hybride Integration von Leistungs-Halbleiterbauelementen, mit einem Substrat (3), auf dessen Oberseite eine Mehrzahl von Leiterflächen in Form von Montageflächen (11) für Halbleiterbauelemente (7) und Leiterbahnen (4, 4') für den Anschluss der Halbleiterbauelemente (7) nebeneinander angeordnet und durch Zwischenräume voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (3) aus einem Varistormaterial besteht, dessen nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie der Form J U# durch einen Exponenten a > 5 charakterisiert ist, und dass die Breite (b) der Zwischenräume zwischen den jeweiligen benachbarten Leiterflächen so gewählt ist,
dass das zwischen den Leiterflächen liegende Varistormaterial einen Spannungsbegrenzer zum Schutz angeschlossener Halbleiterbauelemente vor Überspannungen bildet.
2. Elektronisches Schaltungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Unterseite des Substrats (3) eine metallische Rückenplatte (2), vorzugsweise aus Kupfer, angeordnet ist, und die Dicke (a) des Substrats (3) zwischen den Leiterflächen und der Rückenplatte (2) so gewählt ist, dass das zwischen den Leiterflächen und der Rückenplatte (2) liegende Varistormaterial einen weiteren Spannungsbegrenzer zum Schutz angeschlossener Halbleiterbauelemente vor Überspannungen bildet.
3. Elektronisches Schaltungsmodul nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Varistormaterial des Substrats (3) eine Keramik auf der Grundlage eines MetaW oxids, vorzugsweise ZnO, ist, und die Dicke (a) des Substrats (3) grösser als 0,5 mm ist.
4. Elektronisches Schaltungsmodul nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Varistormaterial des Substrats (3) eine Keramik auf der Grundlage von SiC mit Beimengungen von BeO ist, und die Dicke (a) des Substrats (3) grösser als 0,5 mm ist.
5. Elektronisches Schaltungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in den Zwischenräu- men zwischen den Leiterflächen auf der Oberseite des Substrats (3) Vertiefungen (10) im Substrat (3) vorgesehen sind.
6. Elektronisches Schaltungsmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Substrat (3) und der Rückenplatte (2) eine an das Substrat (3) angrenzende Zwischenleiterschicht (9), vorzugsweise aus Kupfer, und eine an die Rückenplatte (2) angrenzende Isolierkeramikschicht (8), vorzugsweise aus Al203, angeordnet sind.
7. Elektronisches Schaltungsmodul nach einem der Ansprüche 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückenplatte (2) mit ihrer dem Substrat (3) abgewandten Seite mit einem Kühlkörper (1) in Kontakt steht.
8. Elektronisches Schaltungsmodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Teilbereichen des Moduls Bauelemente direkt auf die Zwischenleitschicht (9) aufgebracht sind.
9. Elektronisches Schaltungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsbegrenzung des zwischen den Leiterflächen liegenden Substratmaterials im wesentlichen durch eine Verengung (12) des Zwischenraumes zwischen den Leiterflächen bestimmt ist.
10. Elektronisches Schaltungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterflächen Kupferschichten mit einer Dicke von 0,2 - 0,5 mm sind, und mit dem Substrat über eine Lötschicht aus einer eutektischen Kupfer-Kupferoxid-Legierung stoffschlüssig verbunden sind.
Die Erfindung betrifft ein elektronisches Schaltungsmodul gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Schaltungsmodul ist beispielsweise aus den BBC-Nachrichten, Heft 7, 1982, 5 196 - 200 bekannt.
In der Leistungselektronik geht man zunehmend zu einer hybriden Integration von Leistungs-Halbleiterbauelementen in sogenannten Moduln oder Sätzen über. Bei dieser Integration werden mehrere aktive und möglicherweise auch passive Bauelemente in einem solchen Modul zusammengefasst.
Beim Aufbau eines Moduls der bekannten Art werden auf eine isolierende AkO3-Keramik durch direktes Verbinden ( direct bonding ) mittels einer eutektischen Cu/CuO2-Schmelze ein- oder beidseitig Cu-Bleche aufgebracht. Auf der Bauelementeseite, d.h. der Oberseite des Keramiksubstrats, werden dann Leiterbahnen und Montageflächen für die Lötmontage von Bauelementen, z.B. Halbleiterchips, Chipkondensatoren oder Chipwiderstände, herausgeätzt. Schliesslich werden Anschlusslaschen und die Bauelemente aufgelötet, wobei zur Erhöhung der Lastwechselfestigkeit auch noch Molybdän-Ronden zwischen Bauelement und Substrat gelötet werden können. Im Falle von abschaltbaren Thyristorelementen (Gate- Turn-Off-Ele- menten) werden beispielsweise die Gate- und Kathodenanschlüsse durch Aluminium-Bonddrähte hergestellt.
Nach Beendigung des elektrischen Aufbaus wird das beschriebene Modul gekapselt und vergossen und auf diese Weise gegen störende Umwelteinflüsse geschützt. Es stehen dann beispielsweise gesteuerte Thyristorbrücken für Gleichströme von etwa 20 A, Spitzensperrspannungen bis 1,4 kV und einer elektrischen Isolationsfestigkeit von mindestens 2,5 kV zur Verfü- gung, die in einem Normgehäuse aus Kunststoff untergebracht sind.
Den vielen Vorteilen solcher Module wie reduzierter Montageaufwand, Schaltungsvereinfachung oder erhöhte Funktionssicherheit, steht ein gewichtiger Nachteil gegenüber, der besonders bei der Tendenz zu immer grösseren und auch komplexeren Moduln ins Gewicht fällt: Wird nur ein Bauelement oder Bonddraht innerhalb eines Moduls durch Überlastung zerstört, ist das gesamte Modul weitgehend unbrauchbar geworden, weil eine Reparatur an der vergossenen Schaltung nicht durchgeführt werden kann. Es ist daher wünschenswert, eine Überlastung einzelner Bauelemente oder Verbindungsdrähte direkt innerhalb eines Moduls der beschriebenen Art zu verhindern.
Aus der US-PS 3 896 480 ist es bekannt, ein einzelnes, gegen Überspannungen empfindliches Halbleiterbauelement in seinem Gehäuse dadurch zu schützen, dass in dieses Gehäuse ein Ring aus Varistormaterial als Shuntwiderstand integriert wird. Die Anwendung eines solchen Varistorrings ist jedoch auf ein einzelnes Bauelement, wie z.B. einen Leistungsthyristor, beschränkt, und kann daher nicht auf ein hybrides Modul mit mehreren Halbleiterbauelementen übertragen werden. Zudem sind Herstellung und Einbau der Ringe aufwendig und mit erheblichen zusätzlichen Kosten verbunden.
Aus der WO-A1 83/01153 ist weiterhin eine integrierte Schutzschaltung für hybride oder monolithische ICs mit MOS Elementen bekannt, bei der auf den elektrischen Anschlussbahnen eine dünne Schicht aus Varistormaterial abgeschieden wird und zwischen den Anschlussbahnen und einer über der Varistorschicht liegenden Metallaisierung eine Reihe von Spannungsbegrenzer-Elementen bildet. Eine solche nachträglich aufgebrachte Varistorschicht von weniger als 100 Rm Dicke, die mehrere zusätzliche Verfahrensschritte notwendig macht, führt zu Begrenzerspannungen in der Grössenordnung von 50 V, die zwar für empfindliche MOS-Elemente geeignet sind, für Module der Leistungselektronik mit Sperrspannungen im kV-Bereich aber nicht ausreichen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektronisches Schaltungsmodul mit einem integrierten Überspannungsschutz zu schaffen, der für das gesamte Modul in einfacher Weise hergestellt werden kann und für den Schutz leistungselektronischer Bauelemente geeignet ist.
Die Aufgabe wird bei einem elektronischen Schaltungsmo
dul der eingangs genannten Art durch die Merkmale aus dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemässe Ausführung des Substrats aus Varistormaterial mit einer hinreichend nichtlinearen Strom-Spannungscharakteristik und die auf den erwünschten Begrenzungseffekt abgestimmte Wahl der Abstände zwischen den Leiterflächen ermöglichen einen integrierten Überspannungsschutz, der ohne zusätzliche Verfahrensschritte innerhalb der Modulherstellung realisiert werden kann und zugleich die für leistungselektronische Anwendung erforderliche Belastbarkeit und Höhe der Begrenzerspannung aufweist.
Neben der integrierten Spannungsbegrenzung zwischen den einzelnen Leiterflächen auf der Oberseite des Substrats ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine metallische Rückenplatte auf der Unterseite des Substrats vorgesehen, die als geerdete Bezugselektrode mit dem zwischen Ober- und Unterseite liegenden Substratmaterial eine zusätzliche Spannungsbegrenzung der Leiterflächen gegen Massepotential gewährleistet und die thermische Ankopplung des Moduls an einen darunterliegenden Kühlkörper verbessert.
Um eine Begrenzungskennlinie mit scharf definiertem Einsatzpunkt zu erhalten, ist es besonders vorteilhaft, als Varistormaterial eine Keramik auf der Grundlage eines Metalloxids zu wählen, wobei sich insbesondere mit ZnO Werte für den Exponenten a in der Grössenordnung von 30 erreichen lassen.
Besonders günstige Verhältnisse für die Wärmeableitung von der Schaltung durch das Substrat auf einen darunterliegenden Kühlkörper werden erhalten, wenn als Varistormaterial eine Keramik auf der Grundlage von SiC mit Beimengungen von BeO eingesetzt wird, die ein spannungsbegrenzendes Verhalten mit hoher Wärmeleitfähigkeit kombiniert.
Die Erfindung soll nun nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 den Querschnitt durch ein elektronisches Schaltungsmodul nach der Erfindung mit Rückenplatte auf einem Kühlkörper;
Fig. 2 den Querschnitt durch ein elektronisches Schaltungsmodul gemäss Fig. 1 mit zusätzlicher Zwischenleit- und Isolierkeramikschicht;
Fig. 3 den Querschnitt durch ein elektronisches Schaltungsmodul gemäss Fig. 1 mit zusätzlichen Vertiefungen im Substrat zwischen den Leiterflächen;
Fig. 4 den Querschnitt durch ein elektronisches Schaltungsmodul gemäss Fig. 2 mit teilweise direkter Montage der Halbleiterbauelemente ohne Spannungsbegrenzung;
;
Fig. 5 die perspektivische Ansicht eines elektronischen Schaltungsmoduls nach der Erfindung mit definierter Verengung zwischen den Leiterflächen, und
Fig. 6 den Querschnitt durch ein elektronisches Schaltungsmodul nach der Erfindung ohne Rückenplatte.
In Fig. list der Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines elektronischen Schaltungsmoduls nach der Erfindung dargestellt. Auf die Oberseite eines Substrats 3 sind metallische Leiterflächen, vorzugsweise aus Cu, aufgebracht. Diese Leiterflächen haben die Form von Leiterbahnen 4, 4' und Montageflächen 11. Auf die Montageflächen 11, von denen in Fig. 1 nur eine beispielhaft gezeigt ist, sind Halbleiterbauelemente 7 aufgelötet, deren innere Struktur in der Abbildung aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht näher bezeichnet ist, und die als Thyristoren, Dioden oder Transistoren ausgestaltet sein können.
Die Leiterbahnen 4, 4' dienen als Anschlussbahnen für die Halbleiterbauelemente 7 und stellen gleichzeitig die Verbindungen zwischen verschiedenen Bauelementen innerhalb eines Moduls her. Ist das Halbleiterbauelement 7 der Fig. 1 beispielsweise ein Leistungsthyristorchip, das mit seiner Anodenseite auf die Montagefläche 11 aufgelötet ist, werden die Verbindungen zwischen der Gate-Elektrode und Kathode und den entsprechenden Leiterbahnen 4 und 4' z.B. durch Bonddrähte 6 und 6' hergestellt. Für den externen Anschluss des Moduls können Anschlusslaschen 5 und 5' vorgesehen werden, die auf die Lei- terbahnen 4 und 4' aufgelötet sind und durch ein nicht gezeigtes Modulgehäuse hindurch nach aussen geführt werden.
Auf der Unterseite des Substrats 3 ist bei dem Modul der Fig. 1 eine Rückenplatte 2, ebenfalls aus Cu, vorgesehen, die, ebenso wie die Leiterbahnen 4, 4' und Montageflächen 11, mit dem Substrat 3 durch einen Verbindungsprozess verbunden worden ist, der als direct bonding beispielsweise aus der EP A10 049 007 bekannt ist und mittels einer eutektischen Cu/ CuO-Schmelze eine feste Verbindung zwischen Substrat und Kupferschicht ermöglicht. Die Rückenplatte 2 steht mit ihrer dem Substrat 3 abgewandten Seite in thermischem Kontakt zu einem Kühlkörper 1, über den die im Modul entstandene Wärme nach aussen abgeführt wird.
Neben ihrer Funktion als geerdete Bezugselektrode, auf die im weiteren Verlauf noch näher eingegangen wird, verbessert die Rückenplatte 2 den Wärmeübergang zwischen Substrat 3 und Kühlkörper 1 und erhöht die Gleichmässigkeit der Temperaturverteilung am Übergang zum Kühlkörper 1.
Der Kern der Erfindung besteht nun darin, für das Substrat 3 ein Varistormaterial einzusetzen, das bei auftretenden Überspannungen zwischen den Leiterflächen teilweise leitend wird und einen parallelgeschalteten Ableitwiderstand bildet, der die schädlichen Überspannungen abbaut, ohne die Funktion der Schaltung grundsätzlich zu beeinträchtigen.
Ein solches Varistormaterial, wie es aus der Technik der Überspannungsableiter bekannt ist und z.B. in der US-PS 3 896 480 beschrieben wird, zeichnet sich durch eine extrem nichtlineare Strom-Spannungskennlinie aus: Bei kleinen Feldstärken wirkt das Material für alle praktischen Fälle als Isolator und wird erst oberhalb einer gewissen Feldstärke gut leitend.
Die Kennlinie der Abhängigkeit des Stromes J von der Spannung U lässt sich durch die Funktion
EMI2.1
beschreiben, wobei a eine für das Material charakteristische Kontante ist und der Koeffizient C die geometrische Struktur des betreffenden Varistorelements berücksichtigt.
Für die bekannten Sinterkeramiken auf der Basis des Me talloxids ZnO, die üblicherweise weitere Metalloxide, wie z.B.
Wismutoxid (Bi2O3) als Zusätze enthalten, ergeben sich für die Konstante a Werte im Bereich von 10 - 50. Solche Varistorkeramiken können mit Vorteil als Material für das Substrat 3 eingesetzt werden, wenn der Einsatzpunkt für die Spannungsbegrenzung besonders scharf definiert sein soll.
Hinsichtlich des Wärmewiderstandes zwischen der Schaltung und dem Kühlkörper 1 bedeutet die Verwendung einer ZnO Varistorkeramik für das Substrat gegenüber der üblicherweise eingesetzten, isolierenden Al2O5-Keramik keine Veränderung, weil die Wärmeleitfähigkeit für beide Keramiktypen praktisch gleich ist. Dieser Umstand ist von besonderer Bedeutung bei Leistungsmoduln, bei denen der sicheren Wärmeabfuhr eine wichtige Rolle zufällt.
Beim Betrieb eines elektronischen Schaltungsmoduls der in Fig. 1 gezeigten Konfiguration können zwei Arten der Spannungsbegrenzung auftreten: die horizontale Begrenzung zwi schen zwei Leiterflächen auf der Oberseite des Substrats 3 und die vertikale Begrenzung zwischen einer der Leiterflächen und der gegenüberliegenden, geerdeten Rückenplatte 2.
Im ersten Fall wird die Begrenzerfunktion von einem lokalen Varistorelement übernommen, das durch den Teil des Substratmaterials abgebildet wird, der im Zwischenraum zwischen den betreffenden Leiterflächen liegt. Entsteht also beispielswei se zwischen der Montagefläche 11 und der Leiterbahn 4' eine Überspannung, die normalerweise zu einer Zerstörung des Bonddrahtes 6' durch einen Stromstoss führen könnte, wird der durch Kreuzschraffur in Fig. 1 kenntlich gemachte Bereich im Substratmaterial leitend und übernimmt einen Teil des entstehenden Überstromes. Der Einsatzpunkt der Begrenzung, d.h.
die Grenzspannung, bei der das betreffende Substratmaterial seine Isolationsfähigkeit verliert, wird im wesentlichen durch die Breite b des Zwischenraumes bestimmt. Je grösser b gewählt wird, desto später setzt die Begrenzung ein. Bei der Strukturierung der Leiterflächen durch einen der üblichen Photoätzprozesse kann daher auf einfache Weise die Grenzspannung zwischen zwei Leiterflächen durch geeignete Wahl des Parameters b festgelegt werden. Die Belastbarkeit des lokalen Varistorelements wächst dabei mit der Länge, über welche die benachbarten Leiterflächen auf dem Substrat parallel verlaufen.
Im zweiten Fall der vertikalen Begrenzung wird die Grenzspannung im wesentlichen durch die Dicke a des Substrats 3 bestimmt. Aus Gründen der mechanischen Stabilität ist es vorteilhaft, die Dicke a grösser als 0,5 mm zu wählen, um den direct bonding -Prozess für die Verbindung zwischen Substratkeramik und Cu-Platten ohne Schwierigkeiten durchführen zu können und eine Verbiegung der Sandwich-Struktur aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten zu vermeiden. Insbesondere sollte die Dicke a deutlich grösser sein als die Schichtdicken der Cu-Leiterflächen und der Rückenplatte 2, um die thermische Ausdehnung der Sandwich-Struktur, die dann hauptsächlich durch den Ausdehnungskoeffizienten der Substratkeramik bestimmt wird, besser an die Ausdehnung der aus Silizium bestehenden Halbleiterbauelemente anzupassen.
Da der Ausdehnungskoeffizient der Varistorkeramiken wesentlich näher an dem des Siliziums liegt (ZnO: 5,7 x 10-6/ C; Si: 4 x 10-6/ C) als dies für Cu der Fall ist (Cu: 17 x 10-6/ C), können auf diese Weise thermische Ermüdungserscheinungen innerhalb des Moduls besser vermieden werden.
Die Schichtdicke der Leiterflächen wird im wesentlichen durch die im Betrieb auftretende Strombelastung bestimmt.
Dicken zwischen 0,2 und 0,5 mm haben sich dabei als vorteilhaft herausgestellt.
Besonders günstig ist die erfindungsgemässe Integration des Überspannungsschutzes in das Modul-Substrat für die Ableitung der im Überspannungsfall in den lokalen Varistorelementen auftretenden Wärme. Da das Substrat 3 in engem thermischen Kontakt mit dem Kühlkörper 1 steht, ist eine sichere und gleichmässige Wärmeabfuhr auch bei höheren Leistungen gewährleistet. Die Wärmeleitungseigenschaften der ZnO-Keramik sind in diesem Zusammenhang vergleichbar mit denen der sonst verwendeten, isolierenden AkO3-Keramik, die eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 20 W/m ¯ K aufweist.
Entscheidende Verbesserungen in der Wärmeableitung lassen sich erreichen, wenn statt einer ZnO-Keramik für das Substrat 3 eine neuentwickelte SiC-Keramik verwendet wird, die unter dem Namen Hitaceram SC 101 von der Firma Hitachi Ltd., Ibaraki-Ken, Japan, im Handel angeboten wird. Diese SiC-Keramik mit einem Zusatz aus BeO zeigt einerseits einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der weitgehend mit dem des Siliziums übereinstimmt, und wirkt daher in idealer Weise den bereits erwähnten thermischen Ermüdungserscheinungen entgegen. Zum anderen hat Hitaceram SC 101 eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 240 bis 270 W/m K, die um eine Grössenordnung höher ist als beim ZnO, und daher eine weitere Steigerung der thermischen Belastbarkeit des Moduls ermöglicht.
Anders als beim ZnO ist die Varistoreigenschaft der SiC-Keramik nicht so ausgeprägt. Die Nichtlinearität der Stromspannungskennlinie lässt sich durch einen Exponenten von etwa 6,5 beschreiben. Diese Nichtlinearität sichert für ein Substrat aus Hitaceram SC 101 hinreichend gute Begrenzungseigenschaften bei gleichzeitig sehr guten thermischen Eigenschaften.
In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein elektronisches Schaltungsmodul nach der Erfindung dargestellt.
Zwischen der aus Fig. 1 bekannten Rückenplatte 2 und dem Substrat 3 aus Varistormaterial ist hier eine Schichtfolge aus einer Zwischenleitschicht 9 und einer Isolierkeramikschicht 8 eingefügt. Die Zwischenleitschicht 9 besteht vorzugsweise ebenfalls aus Kupfer und ist mit den angrenzenden Keramikschichten 3 und 8 mittels des erwähnten direct bonding -Prozesses verbunden worden. Die Isolierkeramikschicht 8 ist vorzugsweise aus der bekannten AkO3-Keramik aufgebaut und isoliert das Schaltungsmodul mit der im Substrat 3 integrierten Spannungsbegrenzung vom Potential des Kühlkörpers 1. Die Zwischenleitschicht 9 übernimmt hier die Funktion der Rückenplatte 2 in einer Anordnung nach Fig. 1, d.h. sie dient als rückwärtige Elektrode für die vertikale Spannungsbegrenzung und kann auf ein vom Kühlkörper 1 unabhängiges Bezugspotential gelegt werden.
Eine Weiterbildung der Anordnung aus Fig. 2 mit den beschriebenen Zwischenschichten 8 und 9 ist in Fig. 4 schematisch wiedergegeben. In dieser Weiterbildung wird unterschieden zwischen überspannungsempfindlichen Halbleiterbauelementen 7' und 7", die in bereits bekannter Weise über Substrate 3' und 3'' aus Varistormaterial mit der Zwischenleitschicht 9 in Verbindung stehen, und unempfindlichen Halbleiterbauelementen 7, die in Teilbereichen des Moduls ohne Überspannungsschutz direkt auf die Zwischenleitschicht 9 aufgebracht sind. Auf diese Weise können die unterschiedlichen Grenzwerte verschiedener Halbleiterbauelemente optimal berücksichtigt werden.
Eine zusätzliche Möglichkeit, die horizontalen Begrenzungseigenschaften des Substrats 3 nach dem Aufbau der Schichtstruktur zu beeinflussen, ist in Fig. 3 dargestellt. Bei vorgegebener Breite b der Zwischenräume zwischen den Leiterflächen, die eine minimale Grenzspannung der lokalen Varistorelemente festlegt, lässt sich der Einsatzpunkt für die Spannungsbegrenzung durch Vertiefungen 10 nach oben verschieben, die in den Zwischenräumen zwischen den Leiterflächen auf der Oberseite des Substrats 3 vorgesehen sind. Die Vertiefungen 10 können beispielsweise durch einen der aus der Halbleitertechnologie bekannten Abtragungsprozesse wie Plasmaätzen in die Substratoberseite eingebracht werden. Sie vergrössern die effektive Länge der lokalen Varistorelemente und ermöglichen so eine nachträgliche, individuelle Veränderung der Begrenzungsparameter.
Zugleich können mit den Vertiefungen 10 die nichthomogenen Verteilungen der elektrischen Feldstärke zwischen den benachbarten Kanten der Leiterflächen berücksichtigt werden, die zu lokalen Strompfaden im Varistormaterial führen und die lokalen Varistorelemente irreversibel schädigen können.
Die horizontale Spannungsbegrenzung zwischen den Leiterflächen auf der Oberseite des Substrats 3 wird, wie bereits erwähnt, im wesentlichen durch die Breite b der Zwischenräume bestimmt. Diese Breite b ist jedoch nur dann eindeutig definiert, wenn die betreffenden Leiterflächen auf beiden Seiten des Zwischenraumes über die gesamte Substratlänge parallel verlaufen. Eine solche Forderung schränkt die Gestaltungsmöglichkeiten für die geometrische Form der Leiterflächen erheblich ein.
Gemäss einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird daher, wie in Fig. 5 dargestellt, zumindest eine der Leiterflä ehen so ausgebildet, dass sich in dem Zwischenraum eine Verengung 12 mit definierter Breite und Länge ergibt, die im wesentlichen die Begrenzungseigenschaften des zugehörigen lokalen Varistorelements bestimmt. Voraussetzung dafür ist ein hinreichend grosser Unterschied zwischen der Breite innerhalb der Verengung 12 und der Breite ausserhalb der Verengung 12. Die Länge der Verengung 12 ist dabei für die Strombelastbarkeit des Varistorelements von Bedeutung. Auf die beschriebene Weise lassen sich lokale Varistorelemente mit festgelegten Begrenzungseigenschaften erzeugen, ohne die Freiheit in der geometrischen Gestaltung der Leiterflächen zu verlieren.
Schliesslich kann für die Anwendungsfälle, bei denen eine vertikale Spannungsbegrenzung nicht notwendig ist, gemäss dem Ausführungsbeispiel der Fig. 6 auf eine Rückenplatte auf der Unterseite des Substrats 3 ganz verzichtet werden, wenn eine thermische Ankopplung an einen Kühlkörper nicht vorgesehen ist, oder die direkte thermische Ankopplung der Substrat- keramik an einen darunterliegenden Kühlkörper für die auftretenden Betriebsfälle ausreicht.
Insgesamt stellt das elektronische Schaltungsmodul nach der Erfindung ein Modul mit integriertem Überspannungsschutz dar, das sich durch Einfachheit in Herstellung und Aufbau auszeichnet und eine hohe Belastbarkeit aufweist.
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PATENT CLAIMS
1. Electronic circuit module, in particular for the hybrid integration of power semiconductor components, with a substrate (3), on the top of which a plurality of conductor areas in the form of mounting surfaces (11) for semiconductor components (7) and conductor tracks (4, 4 ') for the connection of the semiconductor components (7) is arranged next to one another and separated from one another by intermediate spaces, characterized in that the substrate (3) consists of a varistor material whose nonlinear current-voltage characteristic curve of the form JU # is characterized by an exponent a> 5, and that the width (b) of the interspaces between the respective adjacent conductor surfaces is selected in such a way
that the varistor material lying between the conductor surfaces forms a voltage limiter for protecting connected semiconductor components against overvoltages.
2. Electronic circuit module according to claim 1, characterized in that on the underside of the substrate (3) a metallic back plate (2), preferably made of copper, is arranged, and the thickness (a) of the substrate (3) between the conductor surfaces and the Back plate (2) is selected so that the varistor material lying between the conductor surfaces and the back plate (2) forms a further voltage limiter to protect connected semiconductor components against overvoltages.
3. Electronic circuit module according to one of claims 1 and 2, characterized in that the varistor material of the substrate (3) is a ceramic based on a MetaW oxide, preferably ZnO, and the thickness (a) of the substrate (3) is greater than Is 0.5 mm.
4. Electronic circuit module according to one of claims 1 and 2, characterized in that the varistor material of the substrate (3) is a ceramic based on SiC with additions of BeO, and the thickness (a) of the substrate (3) is greater than 0 , 5 mm.
5. Electronic circuit module according to one of claims 1 to 4, characterized in that recesses (10) in the substrate (3) are provided in the spaces between the conductor surfaces on the upper side of the substrate (3).
6. Electronic circuit module according to claim 2, characterized in that between the substrate (3) and the back plate (2) to the substrate (3) adjacent intermediate layer (9), preferably made of copper, and one adjacent to the back plate (2) Insulating ceramic layer (8), preferably made of Al203, are arranged.
7. Electronic circuit module according to one of claims 2 and 6, characterized in that the back plate (2) with its side facing away from the substrate (3) is in contact with a heat sink (1).
8. Electronic circuit module according to claim 6, characterized in that components are applied directly to the intermediate conductive layer (9) in partial areas of the module.
9. Electronic circuit module according to one of claims 1 to 8, characterized in that the voltage limitation of the substrate material lying between the conductor surfaces is essentially determined by a narrowing (12) of the space between the conductor surfaces.
10. Electronic circuit module according to one of claims 1 to 9, characterized in that the conductor surfaces are copper layers with a thickness of 0.2 - 0.5 mm, and integrally connected to the substrate via a solder layer made of a eutectic copper-copper oxide alloy are.
The invention relates to an electronic circuit module according to the preamble of claim 1. Such a circuit module is known, for example, from BBC-Nachrichten, issue 7, 1982, 5 196-200.
In power electronics, there is an increasing trend towards hybrid integration of power semiconductor components in so-called modules or sets. With this integration, several active and possibly also passive components are combined in such a module.
When building a module of the known type, copper sheets are applied to one or both sides of an insulating AkO3 ceramic by direct bonding using a eutectic Cu / CuO2 melt. On the component side, i.e. the top of the ceramic substrate, conductor tracks and mounting surfaces for the solder mounting of components, e.g. Semiconductor chips, chip capacitors or chip resistors, etched out. Finally, connection lugs and the components are soldered on, and in order to increase the fatigue strength, molybdenum blanks can also be soldered between the component and the substrate. In the case of thyristor elements that can be switched off (gate turn-off elements), for example, the gate and cathode connections are made by aluminum bonding wires.
After completion of the electrical construction, the module described is encapsulated and encapsulated and in this way protected against disruptive environmental influences. There are then, for example, controlled thyristor bridges for direct currents of about 20 A, peak reverse voltages up to 1.4 kV and an electrical insulation resistance of at least 2.5 kV, which are housed in a standard plastic housing.
The many advantages of such modules, such as reduced assembly costs, simplified circuitry or increased functional reliability, are offset by a weighty disadvantage, which is particularly important in the case of the tendency towards ever larger and more complex modules: If only one component or bond wire within a module is destroyed by overload, it is the entire module has largely become unusable because the cast circuit cannot be repaired. It is therefore desirable to prevent overloading of individual components or connecting wires directly within a module of the type described.
From US Pat. No. 3,896,480 it is known to protect a single semiconductor component which is sensitive to overvoltages in its housing by integrating a ring made of varistor material into this housing as a shunt resistor. However, the application of such a varistor ring is to a single component, e.g. a power thyristor, and can therefore not be transferred to a hybrid module with several semiconductor components. In addition, the manufacture and installation of the rings are complex and involve considerable additional costs.
An integrated protective circuit for hybrid or monolithic ICs with MOS elements is also known from WO-A1 83/01153, in which a thin layer of varistor material is deposited on the electrical connecting tracks and a number of between the connecting tracks and a metallization lying over the varistor layer Voltage limiter elements forms. Such a subsequently applied varistor layer of less than 100 µm thick, which requires several additional process steps, leads to limiter voltages of the order of 50 V, which are suitable for sensitive MOS elements, but for modules in power electronics with reverse voltages in the kV range not suffice.
It is therefore an object of the present invention to provide an electronic circuit module with integrated overvoltage protection which can be produced in a simple manner for the entire module and is suitable for protecting power electronic components.
The task is with an electronic circuit mo
dul of the type mentioned solved by the features from the characterizing part of claim 1.
The inventive design of the substrate made of varistor material with a sufficiently non-linear current-voltage characteristic and the choice of the spacing between the conductor surfaces tailored to the desired limiting effect enable integrated overvoltage protection, which can be implemented without additional process steps within the module production, and at the same time the resilience required for power electronics applications and height of the limiter voltage.
In addition to the integrated voltage limitation between the individual conductor surfaces on the upper side of the substrate, in a preferred embodiment of the invention, a metallic back plate is provided on the underside of the substrate, which, as a grounded reference electrode with the substrate material lying between the upper and lower sides, provides an additional voltage limitation of the conductor surfaces against ground potential guaranteed and improved the thermal coupling of the module to an underlying heat sink.
In order to obtain a limiting characteristic with a sharply defined point of use, it is particularly advantageous to choose a ceramic based on a metal oxide as the varistor material, values of exponent a in the order of magnitude 30 being able to be achieved in particular with ZnO.
Particularly favorable conditions for heat dissipation from the circuit through the substrate to an underlying heat sink are obtained if a ceramic based on SiC with BeO admixtures is used as the varistor material, which combines a voltage-limiting behavior with high thermal conductivity.
The invention will now be explained in more detail below with reference to the drawings using exemplary embodiments. Show it:
Figure 1 shows the cross section through an electronic circuit module according to the invention with back plate on a heat sink.
FIG. 2 shows the cross section through an electronic circuit module according to FIG. 1 with an additional intermediate conductive and insulating ceramic layer;
3 shows the cross section through an electronic circuit module according to FIG. 1 with additional depressions in the substrate between the conductor surfaces;
FIG. 4 shows the cross section through an electronic circuit module according to FIG. 2 with partially direct assembly of the semiconductor components without voltage limitation;
;
Fig. 5 is a perspective view of an electronic circuit module according to the invention with a defined narrowing between the conductor surfaces, and
Fig. 6 shows the cross section through an electronic circuit module according to the invention without a back plate.
In Fig. List shows the cross section through an embodiment of an electronic circuit module according to the invention. Metallic conductor surfaces, preferably made of Cu, are applied to the top of a substrate 3. These conductor surfaces have the form of conductor tracks 4, 4 'and mounting surfaces 11. Semiconductor components 7 are soldered onto the mounting surfaces 11, of which only one is shown as an example in FIG. 1, the internal structure of which is not specified in the figure for reasons of clarity is, and which can be configured as thyristors, diodes or transistors.
The conductor tracks 4, 4 'serve as connecting tracks for the semiconductor components 7 and at the same time establish the connections between different components within a module. If the semiconductor component 7 of FIG. 1 is, for example, a power thyristor chip which is soldered with its anode side onto the mounting surface 11, the connections between the gate electrode and cathode and the corresponding conductor tracks 4 and 4 'are e.g. made by bond wires 6 and 6 '. For the external connection of the module, connection tabs 5 and 5 'can be provided, which are soldered onto the conductor tracks 4 and 4' and which are led to the outside through a module housing (not shown).
On the underside of the substrate 3, a back plate 2, also made of Cu, is provided in the module of FIG. 1, which, like the conductor tracks 4, 4 'and mounting surfaces 11, has been connected to the substrate 3 by a connecting process which is known as direct bonding, for example from EP A10 049 007, and enables a firm connection between the substrate and the copper layer by means of a eutectic Cu / CuO melt. The back plate 2, with its side facing away from the substrate 3, is in thermal contact with a heat sink 1, via which the heat generated in the module is dissipated to the outside.
In addition to its function as a grounded reference electrode, which will be discussed in more detail below, the back plate 2 improves the heat transfer between the substrate 3 and the heat sink 1 and increases the uniformity of the temperature distribution at the transition to the heat sink 1.
The essence of the invention is now to use a varistor material for the substrate 3, which becomes partially conductive in the event of overvoltages between the conductor surfaces and forms a parallel resistance, which reduces the harmful overvoltages without fundamentally affecting the function of the circuit.
Such a varistor material as is known from the art of surge arresters and e.g. in US Pat. No. 3,896,480 is characterized by an extremely non-linear current-voltage characteristic: With small field strengths, the material acts as an insulator for all practical cases and only becomes well conductive above a certain field strength.
The characteristic of the dependence of the current J on the voltage U can be determined by the function
EMI2.1
describe, where a is a characteristic for the material and the coefficient C takes into account the geometric structure of the varistor element in question.
For the known sintered ceramics based on the metal oxide ZnO, which usually contain other metal oxides, e.g.
Containing bismuth oxide (Bi2O3) as additives results for the constant a values in the range of 10 - 50. Such varistor ceramics can advantageously be used as material for the substrate 3 if the point of use for the voltage limitation is to be defined particularly sharply.
With regard to the thermal resistance between the circuit and the heat sink 1, the use of a ZnO varistor ceramic for the substrate means no change compared to the usually used insulating Al2O5 ceramic, because the thermal conductivity is practically the same for both types of ceramic. This is of particular importance for power modules in which safe heat dissipation plays an important role.
When operating an electronic circuit module of the configuration shown in FIG. 1, two types of voltage limitation can occur: the horizontal limitation between two conductor surfaces on the top of the substrate 3 and the vertical limitation between one of the conductor surfaces and the opposite, grounded back plate 2.
In the first case, the limiter function is performed by a local varistor element, which is imaged by the part of the substrate material that lies in the space between the conductor surfaces in question. If, for example, an overvoltage arises between the mounting surface 11 and the conductor track 4 ', which could normally lead to destruction of the bonding wire 6' by a surge of current, the region in the substrate material which is indicated by cross hatching in FIG. 1 becomes conductive and takes over part of the arising overcurrent. The starting point of the limitation, i.e.
the limit voltage at which the substrate material in question loses its insulation ability is essentially determined by the width b of the intermediate space. The larger b is selected, the later the limitation starts. When structuring the conductor areas using one of the usual photoetching processes, the limit voltage between two conductor areas can therefore be determined in a simple manner by suitable selection of the parameter b. The resilience of the local varistor element increases with the length over which the adjacent conductor surfaces on the substrate run parallel.
In the second case of vertical limitation, the limit voltage is essentially determined by the thickness a of the substrate 3. For reasons of mechanical stability, it is advantageous to choose the thickness a to be greater than 0.5 mm in order to be able to carry out the direct bonding process for the connection between substrate ceramic and Cu plates without difficulty and to bend the sandwich structure due to different Avoid coefficients of expansion. In particular, the thickness a should be significantly greater than the layer thicknesses of the copper conductor surfaces and the back plate 2 in order to better adapt the thermal expansion of the sandwich structure, which is then determined primarily by the expansion coefficient of the substrate ceramic, to the expansion of the semiconductor components made of silicon .
As the expansion coefficient of the varistor ceramics is much closer to that of silicon (ZnO: 5.7 x 10-6 / C; Si: 4 x 10-6 / C) than is the case for Cu (Cu: 17 x 10-6 / C), thermal fatigue within the module can be avoided better in this way.
The layer thickness of the conductor surfaces is essentially determined by the current load occurring during operation.
Thicknesses between 0.2 and 0.5 mm have proven to be advantageous.
The inventive integration of the overvoltage protection in the module substrate is particularly favorable for dissipating the heat that occurs in the local varistor elements in the event of an overvoltage. Since the substrate 3 is in close thermal contact with the heat sink 1, safe and uniform heat dissipation is ensured even at higher powers. In this context, the thermal conductivity properties of ZnO ceramics are comparable to those of the otherwise used insulating AkO3 ceramics, which have a thermal conductivity of approximately 20 W / m ¯ K.
Decisive improvements in heat dissipation can be achieved if, instead of a ZnO ceramic for the substrate 3, a newly developed SiC ceramic is used, which is commercially available under the name Hitaceram SC 101 from Hitachi Ltd., Ibaraki-Ken, Japan becomes. This SiC ceramic with an addition of BeO shows on the one hand a thermal expansion coefficient which largely corresponds to that of silicon, and therefore ideally counteracts the thermal fatigue phenomena already mentioned. On the other hand, Hitaceram SC 101 has a thermal conductivity of approximately 240 to 270 W / m K, which is an order of magnitude higher than that of the ZnO, and therefore enables a further increase in the thermal load capacity of the module.
Unlike the ZnO, the varistor characteristic of the SiC ceramic is not as pronounced. The non-linearity of the current-voltage characteristic can be described by an exponent of approximately 6.5. This non-linearity ensures sufficiently good limiting properties for a substrate made of Hitaceram SC 101, while at the same time having very good thermal properties.
2 shows a further exemplary embodiment of an electronic circuit module according to the invention.
A layer sequence composed of an intermediate conductive layer 9 and an insulating ceramic layer 8 is inserted here between the back plate 2 known from FIG. 1 and the substrate 3 made of varistor material. The intermediate conductive layer 9 is preferably also made of copper and has been connected to the adjoining ceramic layers 3 and 8 by means of the direct bonding process mentioned. The insulating ceramic layer 8 is preferably constructed from the known AkO3 ceramic and isolates the circuit module with the voltage limitation integrated in the substrate 3 from the potential of the heat sink 1. The intermediate conductive layer 9 here takes over the function of the back plate 2 in an arrangement according to FIG. it serves as a rear electrode for vertical voltage limitation and can be set to a reference potential that is independent of the heat sink 1.
A development of the arrangement from FIG. 2 with the described intermediate layers 8 and 9 is shown schematically in FIG. 4. In this development, a distinction is made between overvoltage-sensitive semiconductor components 7 ′ and 7 ″, which are connected to the intermediate conductive layer 9 via substrates 3 ′ and 3 ″ made of varistor material in a known manner, and insensitive semiconductor components 7, which directly in some areas of the module without overvoltage protection are applied to the intermediate conductive layer 9. In this way, the different limit values of different semiconductor components can be optimally taken into account.
An additional possibility of influencing the horizontal delimitation properties of the substrate 3 after the layer structure has been constructed is shown in FIG. 3. With a predetermined width b of the spaces between the conductor areas, which defines a minimum limit voltage of the local varistor elements, the point of use for the voltage limitation can be shifted upwards by depressions 10, which are provided in the spaces between the conductor areas on the top of the substrate 3. The depressions 10 can be introduced into the upper side of the substrate, for example, by one of the removal processes known from semiconductor technology, such as plasma etching. They increase the effective length of the local varistor elements and thus enable subsequent, individual changes to the limiting parameters.
At the same time, the depressions 10 can take into account the non-homogeneous distributions of the electric field strength between the adjacent edges of the conductor areas, which lead to local current paths in the varistor material and can irreversibly damage the local varistor elements.
As already mentioned, the horizontal voltage limitation between the conductor surfaces on the upper side of the substrate 3 is essentially determined by the width b of the interspaces. However, this width b is only clearly defined if the conductor surfaces in question run parallel over the entire substrate length on both sides of the intermediate space. Such a requirement considerably limits the design options for the geometric shape of the conductor surfaces.
According to a preferred development of the invention, as shown in FIG. 5, at least one of the conductor areas is designed such that there is a narrowing 12 with a defined width and length in the intermediate space, which essentially determines the limiting properties of the associated local varistor element. A prerequisite for this is a sufficiently large difference between the width within the constriction 12 and the width outside the constriction 12. The length of the constriction 12 is important for the current carrying capacity of the varistor element. In the manner described, local varistor elements with defined limiting properties can be produced without losing the freedom in the geometric design of the conductor surfaces.
Finally, for the applications in which vertical voltage limitation is not necessary, a back plate on the underside of the substrate 3 can be dispensed with entirely, according to the exemplary embodiment in FIG. 6, if thermal coupling to a heat sink is not provided, or direct thermal Coupling the substrate ceramic to an underlying heat sink is sufficient for the operating cases that occur.
Overall, the electronic circuit module according to the invention is a module with integrated overvoltage protection, which is characterized by simplicity in manufacture and construction and has a high load capacity.