DE10103472A1 - Halbleitermodul - Google Patents
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Abstract
Bei einem Halbleitermodul, insbesondere zum Einsatz in Umrichterbaugruppen für Leistungselektronikanwendungen ist vorgesehen, dass der teilweise aus einem Keramikwerkstoff bestehende Tragkörper (15, 16, 17, 18, 19) außer elektrisch leitenden Schichten (15, 19) an seiner Ober- und Unterseite noch eine dritte elektrisch leitende Schicht (17) aufweist, die durch zwei Isolierschichten (16, 18) von den leitenden Schichten (15, 19) an der Unter- und Oberseite des Tragkörpers beabstandet ist. Durch die dritte elektrisch leitende Schicht (17) lässt sich außer thermischen Vorteilen bei der Wärmeableitung eine kapazitive Abschirmung der Halbleiterbauelemente (25) erreichen, insbesondere, wenn die dritte elektrisch leitende Schicht mit der Beschaltung eines Halbleiterbauelements (25) elektrisch verbunden ist. Die elektromagnetische Verträglichkeit wird somit insbesondere bei Halbleitermodulen, die mit Taktfrequenzen im Kilohertzbereich betrieben werden, verbessert.
Description
Halbleitermodule weisen üblicherweise Halbleiterbauelemente
auf, die auf wenigstens teilweise elektrisch isolierenden
Tragkörpern angeordnet und mittels als Leiterbahnen ausgebil
deter leitender Schichten des jeweiligen Tragkörpers elekt
risch kontaktiert sind.
Insbesondere bei solchen Halbleitermodulen, an deren An
schlüssen im Betrieb schnelle Spannungsänderungen, insbeson
dere mit Taktfrequenzen von einem Kilohertz und höher auftre
ten, können hochfrequente elektromagnetische Signale abge
strahlt werden, die wegen der zu erfüllenden Normen der e
lektromagnetischen Verträglichkeit unerwünscht sind.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleitermodul mit we
nigstens einem Halbleiterbauelement, an dessen Anschlüssen im
Betrieb schnelle Spannungsänderungen, insbesondere mit Takt
frequenzen von einem Kilohertz und höher auftreten, und mit
einem Tragkörper, der auf seiner dem Halbleiterbauelement zu
gewandten Oberseite eine erste elektrisch leitende Schicht
und auf seiner Unterseite eine zweite elektrisch leitende
Schicht aufweist, wobei die erste elektrisch leitende Schicht
von der zweiten elektrisch leitenden Schicht durch eine e
lektrisch isolierende Zwischenschicht getrennt ist.
Insbesondere treten die genannten Probleme mit der elektro
magnetischen Verträglichkeit bei Halbleitermodulen auf, die
in Umrichterbaugruppen für Leistungselektronikanwendungen
eingesetzt werden. Solche Umrichterbaugruppen stellen die
Verbindung zwischen dem monofrequenten Energienetz und dem zu
regelnden Verbraucher, beispielsweise einem elektrischen An
trieb her, dessen Drehzahl durch die Ausgangsfrequenz der Um
richterbaugruppe steuerbar ist.
Üblicherweise wird dazu innerhalb der Umrichterbaugruppe zu
erst die Netzwechselspannung in einem Konverter gleichgerich
tet und einem Gleichstromzwischenkreis zugeführt. Der Gleich
stromzwischenkreis weist neben einem Gleichspannungsanteil
einen geringen Wechselspannungsanteil mit der Netzfrequenz
und weitere, mit wachsender Ordnungszahl bezüglich ihrer Amp
litude stark abnehmende Harmonische der Netzfrequenz auf.
Diese leicht wellige Gleichspannung im Gleichstromzwischen
kreis wird einem mehrphasigen Inverter zugeführt. Dort wird
durch eine mittels eines Mikrocontrollers geregelte Ansteue
rung von Halbleiterbauelementen ("Halbleiterventilen", z. B.
IGBTs) eine frequenzvariable Ausgangsspannung erzeugt, die
direkt dem Verbraucher zugeführt werden kann.
Bei der Anwendung zur Drehzahlregulierung von Asynchronmoto
ren werden die Halbleiterventile mit Taktfrequenzen im Kilo
hertz-Bereich angesteuert. Die Übergänge zwischen dem leiten
den und dem sperrenden Zustand der Halbleiterventile erfolgen
sehr schnell, um die Schaltverluste zu minimieren. Dies führt
zu steilen Spannungsflanken an den Halbleiterbauelementen und
Zuleitungen.
Die Unterseite des Halbleitermoduls ist üblicherweise elekt
risch und mechanisch mit einem zur Wärmeableitung dienenden
Kühlkörper verbunden, welcher seinerseits geerdet ist. Durch
zwischen der Modulunterseite und der Oberseite des Tragkör
pers gebildete elektrische Kapazitäten ergeben sich im Be
trieb des Halbleitermoduls hochfrequente Verschiebungsströme,
die zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen führen, wobei
insbesondere der Kühlkörper als großflächige Antenne wirkt.
Um die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglich
keit zu erfüllen, werden somit umfangreiche Entstörmaßnahmen
innerhalb der Umrichterbaugruppe erforderlich.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die
elektromagnetische Verträglichkeit eines Halbleitermoduls auf
einfache Weise zu verbessern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die
Zwischenschicht wenigstens eine zwischen der ersten elekt
risch leitenden Schicht und der zweiten elektrisch leitenden
Schicht angeordnete und von diesen durch jeweils eine Iso
lierschicht beabstandete dritte elektrisch leitende Schicht
aufweist.
Die dritte elektrisch leitende Schicht wirkt dadurch, dass
sie von der ersten und der zweiten elektrisch leitenden
Schicht isoliert ist, als wirksame kapazitive Abschirmung für
die in dem Halbleitermodul auftretenden elektromagnetischen
Wellen. Deren Abstrahlung wird somit durch die dritte elekt
risch leitende Schicht wesentlich vermindert.
Es ist üblich, die zweite elektrisch leitende Schicht auf der
Unterseite des Tragkörpers mit einem geerdeten Kühlkörper e
lektrisch leitend zu verbinden. Verschiebungsströme, die in
der zwischen der ersten elektrisch leitenden Schicht und der
zweiten elektrisch leitenden Schicht gebildeten Kapazität
fließen, wurden bisher vollständig durch die Erdungsschleife
geführt, was zu einer intensiven Abstrahlung führte. Gemäß
der Erfindung wird durch die dritte elektrisch leitende
Schicht diese genannte Kapazität durch zwei elektrisch in
Reihe geschaltete Kapazitäten ersetzt. Dadurch wird eine ka
pazitive Abschirmung des Kühlkörpers von der Oberseite des
Tragkörpers und eine Verminderung von Verschiebungsströmen
über den Kühlkörper zum Erdpotential erreicht.
Dies hat eine Verringerung der Abstrahlung elektro
magnetischer Wellen und somit das Erreichen einer besseren
elektromagnetischen Verträglichkeit durch in das Halbleiter
modul integrierte Maßnahmen zur Folge.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
die dritte elektrisch leitende Schicht mit der Beschaltung
des Halbleiterbauelementes leitend verbunden ist.
Insbesondere kann, wenn es sich um ein Halbleitermodul einer
Umrichterbaugruppe handelt, die dritte elektrisch leitende
Schicht mit einem der Potentiale des Gleichspannungszwischen
kreises verbunden sein.
Dadurch können die kapazitiven Verschiebungsströme direkt in
nerhalb des Moduls abgeleitet werden. Verschiebungsströme
zwischen der dritten elektrisch leitenden Schicht und der
zweiten elektrisch leitenden Schicht, die durch den Kühlkör
per zum Erdpotential gelangen, werden somit weiter verrin
gert. Dies führt zu einer weiteren Verbesserung der elektro
magnetischen Verträglichkeit.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht
vor, dass das Material der dritten elektrisch leitenden
Schicht eine größere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Ma
terial der Isolierschichten und dass die Schichtdicke der
dritten elektrisch leitenden Schicht größer ist als die
Schichtdicke der ersten elektrisch leitenden Schicht.
Beispielsweise kann dabei die dritte und die erste elektrisch
leitende Schicht jeweils aus Metall bestehen. Die Isolier
schichten können beispielsweise aus einem Keramikwerkstoff
bestehen. Da die dritte elektrisch leitende Schicht eine ge
genüber den Isolierschichten größere Wärmeleitfähigkeit auf
weist, dient diese dritte elektrisch leitende Schicht zur
Wärmespreizung, d. h. lokal auf der Oberseite des Tragkörpers
erzeugte Wärme kann in dieser Schicht lateral abgeleitet und
verteilt und von dort effektiv über die Isolierschicht abge
leitet werden. Wenn die dritte elektrisch leitende Schicht
diese Aufgabe der Wärmespreizung übernimmt, kann die erste
elektrisch leitende Schicht auf der Oberseite des Tragkörpers
relativ dünn ausgebildet sein. Da die erste elektrisch leitende
Schicht üblicherweise in einzelne, gegeneinander iso
mespreizung ohnehin nicht in demselben Maße wie die dritte
elektrisch leitende Schicht.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht
vor, dass das Material der dritten elektrisch leitenden
Schicht eine größere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Ma
terial der Isolierschichten und dass die Schichtdicke der
dritten elektrisch leitenden Schicht größer ist als die
Schichtdicke der zweiten elektrisch leitenden Schicht.
Übernimmt die dritte elektrisch leitenden Schicht die Aufgabe
der Wärmespreizung, so kann die zweite elektrisch leitende
Schicht entsprechend dünner ausgebildet sein. Diese zweite
elektrisch leitende Schicht ist üblicherweise ohnehin über
ein Lot mit dem Kühlkörper verbunden, so dass in diesem Be
reich eine weitere Wärmespreizung schon durch den Kühlkörper
eintritt.
Es kann außerdem vorteilhaft vorgesehen sein, dass die dritte
elektrisch leitende Schicht als Leiterbahn zur elektrischen
Verbindung mehrerer Anschlüsse von Halbleiterbauelementen des
Halbleitermoduls dient.
Zu diesem Zweck sind dann mehrere Durchkontaktierungen von
der Oberseite des Tragkörpers zu der dritten elektrisch lei
tenden Schicht notwendig, so dass beispielsweise einzelne
Leiterbahnen der ersten elektrisch leitenden Schicht mit der
dritten elektrisch leitenden Schicht verbunden sind.
Vorteilhaft ist dabei, dass die dritte elektrisch leitende
Schicht eine großflächige leitende Verbindung darstellt, die
eine geringe Induktivität aufweist, so dass bei schnellen
Spannungsänderungen auftretende induktive Überspannungen
weitgehend vermieden werden.
Dennoch hat es Vorteile, über die dritte elektrisch leitende
Schicht nur niederfrequente Signale zu leiten.
Die dritte elektrisch leitende Schicht kann auch vorteilhaft
in mehrere voneinander isolierte Leiterbahnen unterteilt
sein, die jeweils zur Verbindung von Anschlüssen von Halblei
terbauelementen dienen, so dass eine Entflechtung der Leiter
bahnen der ersten elektrisch leitenden Schicht erreicht wer
den kann.
Es kann in einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung durch
die Gestaltung einer Leiterbahn der dritten elektrisch lei
tenden Schicht eine induktives Bauelement mit einer gewünsch
ten Induktivität geschaffen sein.
Hierzu wird beispielsweise die Leiterbahn innerhalb der drit
ten elektrisch leitenden Schicht mäanderförmig oder spiral
förmig geführt. Es entsteht ein Bauteil mit einer gewünschten
Induktivität, das sehr platzsparend realisiert ist.
In entsprechender Weise kann durch die Gestaltung und Anord
nung einer Leiterbahn der dritten elektrisch leitenden
Schicht und einer Leiterbahn der ersten und/oder der zweiten
elektrisch leitenden Schicht ein kapazitives Bauelement mit
einer gewünschten Kapazität geschaffen sein.
Hierzu ist vorgesehen, dass ein Flächenbereich der dritten
elektrisch leitenden Schicht einem entsprechenden Flächenbe
reich der ersten und/oder der zweiten elektrisch leitenden
Schicht direkt gegenüber liegt, so dass durch diese Flächen
bereiche ein Plattenkondensator mit vorher bestimmbarer Größe
und Isolationsabstand gebildet ist.
Die elektrisch leitenden Schichten bestehen üblicherweise aus
Metall, vorteilhaft aus Kupfer, jedoch ist auch die Anwendung
von elektrisch leitfähigen Kunststoffen oder leitenden Kera
mikwerkstoffen grundsätzlich denkbar.
Die Isolierschichten bestehen üblicherweise aus thermischen
Gründen aus Keramikwerkstoffen, beispielsweise aus AL2O3, AlN
oder BeO, jedoch ist hier auch die Anwendung von isolierenden
Kunststoffen oder anderen Isolierwerkstoffen denkbar.
Im folgenden ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie
len in einer Zeichnung gezeigt und anschließend beschrieben.
Dabei zeigt jeweils in schematischer Darstellung
Fig. 1 ein Halbleitermodul in einer Draufsicht,
Fig. 2 einen Teil eines erfindungsgemäßen Halbleitermoduls
im Querschnitt
Fig. 3 einen Teil eines Halbleitermoduls gemäß dem Stand
der Technik in einem Querschnitt,
Fig. 4 eine Darstellung der Verschiebungsströme anhand ei
nes Halbleitermoduls gemäß der Fig. 3,
Fig. 5 eine schematische Darstellung der Verschiebungs
ströme anhand des Halbleitermoduls gemäß der Erfin
dung entsprechend Fig. 2,
Fig. 6 einen beispielhaften Aufbau der dritten elektrisch
leitenden Schicht gemäß der Erfindung,
Fig. 7 einen Teil des erfindungsgemäßen Halbleitermoduls
in einem Querschnitt mit unterschiedlichen Schicht
dicken der elektrisch leitenden Schichten,
Fig. 8 beispielhaft die Gestaltung der dritten elektrisch
leitenden Schicht und
Fig. 9 die Gestaltung einer ersten elektrisch leitenden
Schicht, die im Zusammenhang mit der in Fig. 8
dargestellten Schicht die Ausbildung eines kapazi
tiven und eines induktiven Bauelementes verwirk
licht.
In der Fig. 1 ist in einer Draufsicht ein keramischer Trag
körper 1 dargestellt, auf dessen Oberseite Halbleiterbauele
mente, nämlich Dioden 2, 3 und IGBTs 4, 5 angeordnet sind.
Die Halbleiterbauelemente 2, 3, 4 und 5 sind auf metallischen
Leiterbahnen 6, 7 angeordnet, die zusammen eine erste elekt
risch leitende Schicht 15 bilden.
Ein derartiges Halbleitermodul wird beispielsweise in Um
richterbaugruppen für Leistungselektronikanwendungen einge
setzt, die beispielsweise dazu dienen, Asynchronmotoren anzu
steuern. Der positive Spannungsversorgungsanschluss ist mit
8, der negative Anschluss mit 9 bezeichnet. Der Phasenausgang
ist mit 10 bezeichnet. Die verdickten Punkte bezeichnen je
weils elektrische Anschlüsse und die diese verbindenden Li
nien 11, 12 bezeichnen Verbindungsleiter, die oberhalb der
ersten elektrisch leitenden Schicht 15 beispielsweise als
Bonddrähte verlaufen.
Die Stromführung durch die einzelnen Halbleiterbauelemente 2,
3, 4, 5 ist im wesentlichen vertikal, das heißt senkrecht zur
Ebene der ersten elektrisch leitenden Schicht 15 die weiter
unten anhand der Fig. 2 und 5 näher dargestellt wird.
Die gepunkteten Bereiche in der Fig. 1 stellen isolierende
Teile des Tragkörpers 1 dar, die nicht von Leiterbahnen 6, 7
überdeckt sind und die die elektrisch isolierende Trennung
der Leiterbahnen 6, 7 voneinander bewirken.
In der Fig. 2 ist schematisch im Querschnitt der Aufbau ei
nes erfindungsgemäßen Halbleitermoduls dargestellt. Dabei
stellen die verschiedenen Schichten von oben nach unten fol
gendes dar: Mit 13 ist ein Halbleiterbauelement bezeichnet,
das beispielsweise als Diode 2, 3 oder als IGBT 4, 5 ausge
bildet sein kann. Das Halbleiterbauelement 13 ist mittels ei
ner Lotschicht 14 auf einer Leiterbahn 6, 7 der ersten elekt
risch leitenden Schicht 15 befestigt und mit dieser kontak
tiert.
Die erste elektrisch leitende Schicht 15 ist Teil eines Trag
körpers 15, 16, 17, 18, 19, der außerdem eine erste Isolierschicht
16, eine dritte elektrisch leitende Schicht 17 sowie
eine zweite Isolierschicht 18 und eine zweite elektrisch lei
tende Schicht 19 aufweist.
Die Isolierschichten 16, 18 bestehen dabei beispielsweise aus
einem Keramikwerkstoff oder aus einem Polymer, dem zur besse
ren Wärmeleitung ein Keramikwerkstoff in Pulverform zugesetzt
ist.
Auf der Unterseite des Tragkörpers 15, 16, 17, 18, 19 ist die
zweite elektrisch leitende Schicht 19 angeordnet. Diese ist
mittels einer Lotschicht 20 mit einem Kühlkörper 21 derart
elektrisch und mechanisch verbunden, dass eine gute Wärmelei
tung gewährleistet ist.
Der Kühlkörper 21 kann mit Mitteln zur besseren Wärmeablei
tung, beispielsweise einem Kühlflüssigkeitssystem oder einer
Luftkühlung versehen sein.
In der Fig. 3 ist ein Halbleitermodul gemäß dem Stand der
Technik dargestellt. Es sind dort nur die zu dem erfindungs
gemäßen Halbleitermodul unterschiedlichen Einzelheiten mit
Bezugszeichen versehen und beschrieben.
Die erste elektrisch leitende Schicht 22 ist direkt auf einer
Isolierschicht 23 des Tragkörpers 22, 23, 24 angeordnet, die
beispielsweise aus einem Keramikwerkstoff besteht. Auf der
Unterseite des Tragkörpers 23 ist die zweite elektrisch lei
tende Schicht 24 angeordnet.
Der Tragkörper 22, 23, 24 kann im Ganzen als DCB-Körper (Direct
Copper Bonded), das heißt als ein beidseitig mit einer dünnen
Kupferschicht versehener relativ dicker Keramikträger gestal
tet sein. Dabei werden die Kupferschichten durch ein Press
verfahren aufgebracht und zumindest die Kupferschicht 22 auf
der dem Halbleiterbauelement 25 zugewandten Oberseite des
DCB-Körpers ist in Form von Leiterbahnen ausgebildet.
Die Funktion der Erfindung soll im folgenden anhand der
Fig. 4 und 5 noch näher erläutert werden.
In der Fig. 4 ist ein Halbleitermodul gemäß dem Stand der
Technik dargestellt, wobei durch die stilisierte Darstellung
26 eines Kondensators angedeutet ist, dass sich zwischen der
ersten elektrisch leitenden Schicht 22 und der zweiten elekt
risch leitenden Schicht 24 eine Kapazität ausbildet, deren
Dielektrikum durch die Zwischenschicht 27 gebildet ist. Der
Pfeil 28 deutet den Laststrom an, der im Betrieb durch das
Halbleiterbauelement 25 und die Leiterbahnen der ersten e
lektrisch leitenden Schicht 22 fließt.
Schnelle Änderungen der an den Anschlüssen des Halbleiterbau
elements 25 bzw. an den Leiterbahnen anliegenden Spannung,
beispielsweise bei Taktfrequenzen im Kilohertzbereich bewir
ken an der Kapazität 26 Verschiebungsströme, die durch die
Pfeile 29, 30, 31 dargestellt sind und deren Größe der zeit
lichen Ableitung der Spannung proportional ist. Die Verschie
bungsströme fließen über den Kühlkörper 32 und den Lastwider
stand 33 (z. B. parasitärer Zuleitungswiderstand) zum Er
dungsanschluss ab.
Dabei werden von dem Kühlkörper und dem Erdungsanschluss in
folge der hochfrequenten Verschiebungsströme elektro
magnetische Wellen abgestrahlt, die in der Umgebung des Halb
leitermoduls Störungen hervorrufen können und die elektromag
netische Verträglichkeit des Halbleitermoduls verschlechtern.
In der Fig. 5 ist ein erfindungsgemäßes Halbleitermodul dar
gestellt, bei dem die elektromagnetische Verträglichkeit er
heblich verbessert ist. Der Tragkörper weist eine Zwischen
schicht 16, 17, 18 auf, die aus zwei Isolierschichten 16, 18
besteht, zwischen denen eine dritte elektrisch leitende
Schicht 17 angeordnet ist. Die dritte elektrisch leitende
Schicht 17 ist in diesem Fall über die Leitung 34 mit einem
Anschluss 35 des Halbleiterbauelementes 25 verbunden.
Aus der Aufteilung der Zwischenschicht in zwei voneinander
getrennte elektrisch isolierende Schichten 16, 18 ergibt sich
zunächst, dass die Kapazität zwischen der ersten elektrisch
leitenden Schicht 15 und der zweiten elektrisch leitenden
Schicht 19 nun durch eine elektrische Reihenschaltung zweier
Kapazitäten realisiert ist, die in der Fig. 5 durch symboli
sche Darstellungen von Kondensatoren angedeutet sind. Hier
durch ergibt sich bei gleichen Dicken der isolierenden
Schichten wie in Fig. 4 zunächst eine insgesamt verringerte
Serienkapazität, die zur Verringerung der Verschiebungsströme
gegenüber der Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik
(Fig. 4) führt.
Die Größe der Verschiebungsströme hängt jedoch auch von der
Dicke der Isolierschichten 16, 18 ab.
Einen wesentliche Verringerung der Abstrahlung von elektro
magnetischen Wellen ergibt sich daraus, dass die dritte e
lektrisch leitende Schicht 17 über die Leitung 34 mit einem
Anschluss 35 des Halbleiterbauelementes 25 verbunden ist.
Durch diese Verbindung können Verschiebungsströme effektiv
innerhalb des Moduls abgeleitet werden. Dies ist besonders
dann effektiv, wenn die dritte elektrisch leitende Schicht 17
mit einem Anschluss 35 des Halbleiterbauelements 25 verbunden
ist, der nur niederfrequente Spannungen bzw. Gleichspannung
führt.
Die dritte elektrisch leitende Schicht 17 stellt somit eine
kapazitative Abschirmung des Halbleiterbauelementes 25 von
dem Kühlkörper 21 und dem Erdanschluss dar. Diese relativ
großen Bauteile werden somit nur noch mit einem erheblich
verringerten Verschiebungsstrom 36, 37 beaufschlagt, der an
der durch die zweite Isolierschicht 18 gebildeten Kapazität
zwischen der dritten elektrisch leitenden Schicht 17 und der
zweiten elektrisch leitenden Schicht 19 anfällt.
Zur genaueren Erläuterung ist in der Fig. 6 beispielsweise
die zu dem in Fig. 1 dargestellten Halbleitermodul 1 passen
de dritte elektrisch leitende Schicht 17 dargestellt, die in
einzelne Leiterbahnen 17a, 17b, 17c, 17d aufgeteilt ist. Die
mit 38, 39, 40, 41 bezeichneten Punkte stellen Durchkontak
tierungen dar, durch die die Leiterbahnen 17b, 17d der drit
ten elektrisch leitenden Schicht 17 mit der ersten elektrisch
leitenden Schicht 15 leitend verbunden sind. Durch diese Ver
bindungen können Verschiebungsströme, die zwischen der ersten
elektrisch leitenden Schicht und der dritten elektrisch lei
tenden Schicht fließen, effektiv innerhalb des Halbleitermo
duls abgeleitet werden.
Die in der Fig. 6 dargestellten Halbleiterbauelemente 2, 3,
4, 5 befinden sich nicht direkt auf der dritten elektrisch
leitenden Schicht 17, sondern oberhalb der ersten elektrisch
leitenden Schicht 15 und sind in der Fig. 6 nur der Orien
tierung halber eingezeichnet. Der besseren Übersichtlichkeit
halber ist die dritte elektrisch leitende Schicht 17 (mittle
re Schicht) in Fig. 6 schraffiert dargestellt.
Anhand der Fig. 7 soll im folgenden erläutert werden, wie
durch die Gestaltung der Schichtdicken der ersten, zweiten
und dritten elektrisch leitenden Schichten sowie der isolie
renden Schichten mechanische, elektrische und thermische Pa
rameter optimiert werden können.
Der Übersichtlichkeit halber werden, soweit möglich, Bezugs
zeichen entsprechend der Fig. 5 verwendet.
Die Schichtdicke a der ersten elektrisch leitenden Schicht 15
kann gering gewählt werden, da diese im wesentlichen elektri
sche Aufgaben, nämlich die Signalleitung und die Leitung e
lektrischer Leistung über die einzelnen Leiterbahnen 6, 7 der
Schicht zu erfüllen hat. Die Schichtdicke der ersten isolie
renden Schicht 16 kann vorteilhaft dünner gewählt werden als
die Schichtdicke der zweiten isolierenden Schicht 18. Dadurch
wird bewirkt, dass die Kapazität des über der ersten isolie
renden Schicht 16 gebildeten Kondensators größer ist als die
über der zweiten isolierenden Schicht 18 gebildete Kapazität.
Hierdurch sind die Verschiebungsströme infolge von hochfre
quenten Spannungsänderungen über die zweite elektrisch iso
lierenden Schicht 18 geringer als die über die erste elekt
risch isolierende Schicht 16 fließenden Verschiebungsströme,
die über die dritte elektrisch leitende Schicht 17 modulin
tern abgeleitet werden können.
Für die dritte elektrisch leitende Schicht 17 wird vorteil
haft eine höhere Schichtdicke b gewählt als die erste elekt
risch leitende Schicht 15. Die dritte elektrisch leitende
Schicht 17 erfüllt somit die Funktion einer effektiven Wärme
spreizung, das heißt die laterale Verteilung der in den Halb
leiterbauelementen erzeugten Wärme innerhalb der Schicht 17.
Die Schichtdicke c der zweiten elektrisch leitenden Schicht
19 ist von nachrangiger Bedeutung, da diese üblicherweise
mittels einer Lotschicht 20 auf einen typischerweise metalli
schen Kühlkörper 21 aufgelötet ist und mit diesem einen me
chanischen, thermischen und elektrischen Verbund bildet.
Die Schichtdicken der ersten elektrisch isolierenden Schicht
16 und der zweiten elektrisch isolierenden Schicht 18 müssen
außerdem die Bedingung erfüllen, dass insbesondere die erste
elektrisch isolierende Schicht 16 dick genug ist, um die Mo
dulsperrspannung zu isolieren.
Für den Fall, dass auf der Unterseite des Moduls kein Kühl
körper vorgesehen ist, kann die zweite elektrisch leitende
Schicht 19 zur mechanischen Stabilisierung und aus thermi
schen Gründen mit einer größeren Schichtdicke ausgeführt wer
den.
Durch die sandwichartige Struktur des Tragkörpers ergibt sich
im Verbund von Metall- und Keramikschichten bzw. Metall- und
Polymerschichten eine verbesserte mechanische Stabilität, so
dass die Gesamtschichtdicke bei gleichbleibender Stabilität
verringert werden kann.
Anhand der Fig. 8 und 9 soll in einer Zusammenschau ver
deutlicht werden, wie durch eine geeignete Gestaltung der
ersten elektrisch leitenden Schicht 16 und der dritten elekt
risch leitenden Schicht 17 und deren Zusammenwirken gezielt
kapazitive und induktive Bauelemente gebildet sein können.
Die dritte elektrisch leitende Schicht ist in der Fig. 8 mit
42 bezeichnet, die erste elektrisch leitende Schicht in der
Fig. 9 mit 43. In der dritten elektrisch leitenden Schicht
ist der Durchkontaktierungspunkt 44 mittels einer spiralför
migen Leiterbahn 45 mit dem weiteren Durchkontaktierungspunkt
46 verbunden (vergleiche Fig. 8).
In der darüber liegenden ersten elektrisch leitenden Schicht
43 ist der Durchkontaktierungspunkt 44 mit der Anschlusslei
terbahn 47 verbunden. Der Durchkontaktierungspunkt 46 ist mit
der Anschlussleiterbahn 48 verbunden.
Zwischen den Anschlussleiterbahnen 47 und 48 ist somit ein
induktives elektrisches Bauteil in Form einer Leiterspirale
verwirklicht.
In der dritten elektrisch leitenden Schicht 42 ist außerdem
eine rechteckige Metallisierungsfläche 49 realisiert, die
mittels der Durchkontaktierungspunkte 50, 51 mit der oben
liegenden Leiterbahnanschlussfläche 52 der ersten elektrisch
leitenden Schicht verbunden ist. Diese Metallisierungsfläche
49 bildet mit der weiteren Metallisierungsfläche 53 der oben
liegenden ersten elektrisch leitenden Schicht 43 einen Plat
tenkondensator, der ein kapazitives Bauelement verwirklicht.
Die beiden Anschlüsse des Plattenkondensators sind in der
ersten elektrisch leitenden Schicht 43 durch die Leiterbahn
anschlussflächen 52 und 54 gegeben.
Durch Einfügen der dritten elektrisch leitenden Schicht in
den Tragkörper des Halbleitermoduls ergeben sich somit in e
lektrischer, thermischer und mechanischer Hinsicht erhebliche
Vorteile und Gestaltungsmöglichkeiten.
Claims (10)
1. Halbleitermodul mit wenigstens einem Halbleiterbauelement
(2, 3, 4, 5), an dessen Anschlüssen im Betrieb schnelle Span
nungsänderungen, insbesondere mit Taktfrequenzen von 1 khz und
höher, auftreten,
und mit einem Tragkörper (1, 6, 7, 15, 16, 17, 18, 19, 22, 23, 24), der auf seiner dem Halbleiterbauelement (2, 3, 4, 5) zugewandten O berseite eine erste elektrisch leitende Schicht(6, 7, 15, 22) und auf seiner Unterseite eine zweite elektrisch leitende Schicht (19, 24) aufweist,
wobei die erste elektrisch leitende Schicht (6, 7, 15, 22) von der zweiten elektrisch leitenden Schicht (19, 24) durch eine wenigstens teilweise elektrisch isolierende Zwischenschicht (16, 17, 18) getrennt ist und
wobei die Zwischenschicht (16, 17, 18) wenigstens eine zwischen der ersten elektrisch leitenden Schicht (6, 7, 15, 22) und der zweiten elektrisch leitenden Schicht (19, 24) angeordnete und von diesen durch jeweils eine Isolierschicht (16, 18) beabstandete dritte elektrisch leitende Schicht (17) auf weist.
und mit einem Tragkörper (1, 6, 7, 15, 16, 17, 18, 19, 22, 23, 24), der auf seiner dem Halbleiterbauelement (2, 3, 4, 5) zugewandten O berseite eine erste elektrisch leitende Schicht(6, 7, 15, 22) und auf seiner Unterseite eine zweite elektrisch leitende Schicht (19, 24) aufweist,
wobei die erste elektrisch leitende Schicht (6, 7, 15, 22) von der zweiten elektrisch leitenden Schicht (19, 24) durch eine wenigstens teilweise elektrisch isolierende Zwischenschicht (16, 17, 18) getrennt ist und
wobei die Zwischenschicht (16, 17, 18) wenigstens eine zwischen der ersten elektrisch leitenden Schicht (6, 7, 15, 22) und der zweiten elektrisch leitenden Schicht (19, 24) angeordnete und von diesen durch jeweils eine Isolierschicht (16, 18) beabstandete dritte elektrisch leitende Schicht (17) auf weist.
2. Halbleitermodul nach Anspruch 1, bei dem die dritte elekt
risch leitende Schicht (17) mit der Beschaltung des Halblei
terbauelementes (2, 3, 4, 5), insbesondere mit einem Gleich
spannungskreis, leitend verbunden ist.
3. Halbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Mate
rial der dritten elektrisch leitenden Schicht(17) eine grös
sere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material der Iso
lierschichten (16, 18) und wobei die Schichtdicke (b) der
dritten elektrisch leitenden Schicht (17) grösser ist als die
Schichtdicke (a) der ersten elektrisch leitenden Schicht
(6, 7, 15, 22).
4. Halbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Mate
rial der dritten elektrisch leitenden Schicht (17) eine grö
ßere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material der Iso
lierschichten (16, 18) und wobei die Schichtdicke (b) der
dritten elektrisch leitenden Schicht (17) größer ist als die
Schichtdicke (c) der zweiten elektrisch leitenden Schicht
(19, 24).
5. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4,
bei dem die dritte elektrisch leitende Schicht (17) als Lei
terbahn zur elektrischen Verbindung mehrerer Anschlüsse von
Halbleiterbauelementen (2, 3, 4, 5) des Halbleitermoduls dient.
6. Halbleitermodul nach Anspruch 5, bei dem die dritte elekt
risch leitende Schicht (17) in mehrere voneinander isolierte
Leiterbahnen (42, 45) unterteilt ist.
7. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei dem
durch die Gestaltung einer Leiterbahn (45) der dritten elekt
risch leitenden Schicht (17) ein induktives Bauelement mit
einer gewünschten Induktivität geschaffen ist.
8. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, bei
dem durch die Gestaltung und Anordnung einer Leiterbahn (42)
der dritten elektrisch leitenden Schicht (17) und einer Lei
terbahn (43) der ersten und/oder der zweiten elektrisch lei
tenden Schicht ein kapazitives Bauelement mit einer gewünsch
ten Kapazität geschaffen ist.
9. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem
wenigstens die dritte elektrisch leitende Schicht (17) aus
einem Metall besteht.
10. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem
die Isolierschichten (16, 18) aus einem Keramikwerkstoff be
stehen.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2001103472 DE10103472A1 (de) | 2001-01-26 | 2001-01-26 | Halbleitermodul |
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Publications (1)
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DE10103472A1 true DE10103472A1 (de) | 2002-08-22 |
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