DE102014115847A1 - Halbleitermodul und Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls - Google Patents

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Abstract

Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul. Dieses weist ein Modulgehäuse (6) auf, sowie einen Schaltungsträger (2) mit einem dielektrischen Isolationsträger (20) und mit einer oberen Metallisierungsschicht (21), die auf eine Oberseite (20t) des dielektrischen Isolationsträgers (20) aufgebracht ist. Auf dem Schaltungsträger (2) ist Halbleiterbauelement (1) angeordnet. Außerdem weist das Leistungshalbleitermodul einen elektrisch leitenden Anschlussblock (5) auf, der fest und elektrisch leitend mit dem Schaltungsträger (2) und/oder mit dem Halbleiterbauelement (1) verbunden ist und der ein Gewinde (50) aufweist, das von der Außenseite des Modulgehäuses (6) her zugänglich ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leistungshalbleitermodul und Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls.
  • Leistungshalbleitermodule benötigen zu ihrer modulexternen elektrischen Kontaktierung elektrische Anschlüsse. Bei herkömmlichen Halbleitermodulen werden hierzu häufig Anschlussbleche verwendet, die einen Fußbereich aufweisen, an dem sie mit einem Schaltungsträger des Halbleitermoduls gelötet werden, sowie einen Anschlussbereich, der aus dem Modulgehäuse herausragt. Aufgrund der Wärmekapazität derartiger Anschlussbleche ist mit dem Löten der Fußbereiche eine starke thermische Belastung des Schaltungsträgers verbunden, was dazu führen kann, dass der Schaltungsträger und/oder ein elektrisches Bauelement, mit dem der Schaltungsträger vorbestückt ist, beschädigt oder zerstört werden kann.
  • Ein weiteres Problem bei elektrischen Anschlüssen von Halbleitermodulen besteht in deren Induktivitäten. Wenn die elektrischen Anschlüsse beispielsweise dazu verwendet werden, einem in dem Halbleitermodul verbauten steuerbaren Halbleiterschalter (z.B. einem IGBT, einem MOSFET etc.) ein Steuersignal, z. B. eine Gateansteuerspannung, zuzuführen, so können aufgrund der Induktivität der elektrischen Anschlüsse Schaltfehler auftreten, die dazu führen, dass der steuerbare Halbleiterschalter verzögert oder verfrüht ein- oder ausschaltet.
  • Anstelle von Anschlussblechen werden häufig auch einzelne Anschlusspins verwendet, die jeweils ein erstes Ende aufweisen, das im Inneren eines Modulgehäuses angeordnet ist, sowie ein zweites Ende, das aus dem Modulgehäuse herausgeführt ist. Die ersten Enden sind im Inneren des Modulgehäuses mit einer Metallisierung des Schaltungsträgers verbunden, während die zweiten Enden an eine modulexterne Leiterkarte angeschlossen sind. Um die zweiten Enden mit der modulexternen Leiterkarte zu verbinden, werden die zweiten Enden häufig in korrespondierende Kontaktöffnungen der Leiterkarte eingepresst. Hierzu wird die Leiterkarte auf die aus dem Modulgehäuse herausragenden zweiten Enden aufgepresst, was allerdings entsprechend hohe Kräfte erfordert, die über die Anschlusspins auf den Schaltungsträger übertragen werden. Diese Kräfte bewirken eine mechanische Belastung des Schaltungsträgers, durch die der Schaltungsträger beschädigt werden kann. Außerdem müssen die zweiten Enden relativ zueinander mit hoher Genauigkeit positioniert werden, so dass sie bei der Montage der Leiterkarte an dem Halbleitermodul mit deren Kontaktöffnungen fluchten. Eine derartige präzise Positionierung ist jedoch mit hohem Aufwand verbunden. Beispielsweise muss die Ausrichtung der zweiten Enden nach der eigentlichen Fertigstellung des Halbleitermoduls überprüft und gegebenenfalls durch Nachbiegen korrigiert werden, da sich die Leiterkarte anderenfalls nicht montieren lässt. Ein ähnliches Problem tritt auf, wenn das Modulgehäuse einen Gehäusedeckel mit Öffnungen aufweist, durch die die Anschlusspins hindurchgeführt werden müssen. Neben alldem ist auch die Montage der einzelnen Anschlusspins auf dem Schaltungsträger sehr aufwändig, da diese einzeln jeweils an einer vorgeben Stelle des Schaltungsträgers positioniert und dort mit diesem verbunden werden müssen.
  • Weiterhin benötigt die modulinterne elektrische Anbindung der elektrischen Anschlüsse viel Platz für entsprechende Verbindungsleitungen. Zum einen enthält das Halbleitermodul eine Vielzahl anderer Elemente wie beispielsweise Bonddrähte oder Stromschienen, so dass beim Verlegen der Verbindungsleitungen Umwege in Kauf genommen werden müssen, zum anderen müssen die Verbindungsleitungen auch Mindestabstände zu anderen Elementen des Halbleitermoduls einhalten, beispielsweise um Spannungsüberschläge und Kriechströme zu vermeiden.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Leistungshalbleitermodul bereitzustellen, das zumindest einen elektrischen Anschluss aufweist, das einfach und ohne die Gefahr einer Zerstörung von Bestandteilen des Halbleitermoduls herzustellen ist, und das auf einfache Weise elektrisch angeschlossen werden kann. Eine weitere Aufgabe besteht darin, Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleitermoduls bereitzustellen.
  • Diese Aufgaben werden durch ein Leistungshalbleitermodul gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls gemäß den Patentansprüchen 12 und 16 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Ein erster Aspekt betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit einem Modulgehäuse, einem Schaltungsträger, einem Halbleiterbauelement und einem elektrisch leitenden Anschlussblock. Der Schaltungsträger weist mit einen dielektrischen Isolationsträger auf, sowie eine obere Metallisierungsschicht, die auf eine Oberseite des dielektrischen Isolationsträgers aufgebracht ist. Das Halbleiterbauelement ist auf dem Schaltungsträger angeordnet ist. Der Anschlussblock ist über einen Verbindungsleiter fest und elektrisch leitend mit dem Schaltungsträger und/oder mit dem Halbleiterbauelement verbunden und weist ein Gewinde auf, das von der Außenseite des Modulgehäuses her zugänglich ist.
  • Ein zweiter Aspekt betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls.
  • Bei dem Verfahren werden ein elektrisch leitender Anschlussblock mit einem Gewinde, ein Verbindungsleiter mit einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt sowie ein Modulgehäuse bereitgestellt. Der Schaltungsträger weist einen dielektrischen Isolationsträger auf, sowie eine obere Metallisierungsschicht, die auf eine Oberseite des dielektrischen Isolationsträgers aufgebracht ist. Der Schaltungsträger wird mit dem Halbleiterbauelement bestückt und es wird eine feste und elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Anschlussblock und dem Verbindungsleiter an dessen erstem Abschnitt hergestellt. Außerdem wird eine stoffschlüssige und elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Schaltungsträger oder dem Halbleiterbauelement und dem Verbindungsleiter an dessen zweitem Abschnitt hergestellt. Der Anschlussblock und der mit dem Halbleiterbauelement bestückte Schaltungsträger werden derart an dem Modulgehäuse angeordnet, dass das Halbleiterbauelement in dem Modulgehäuse angeordnet und das Gewinde von der Außenseite des Modulgehäuses her zugänglich ist.
  • Diese sowie weitere Aspekte der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine perspektivische Ansicht von zwei jeweils ein Gewinde aufweisenden Anschlussblöcken, die jeweils stoffschlüssig und elektrisch leitend mit einem Verbindungsleiter verbunden sind.
  • 2 einen Querschnitt durch ein Halbleitermodul, das zwei jeweils ein Innengewinde aufweisende Anschlussblöcke enthält, von denen jeder mittels eines Verbindungsleiters stoffschlüssig und elektrisch leitend mit einem Schaltungsträger verbunden ist.
  • 3 verschiedene Ansichten der beiden in 1 dargestellten, jeweils stoffschlüssig und elektrisch leitend mit einem Verbindungsleiter verbundenen Anschlussblöcke.
  • 4A eine perspektivische Draufsicht auf einen Abschnitts eines Modulgehäuses, in das die in den 1 und 3 gezeigten Verbindungsleiter eingespritzt sind.
  • 4B eine Seitenansicht der Anordnung gemäß 4A.
  • 4C eine perspektivische Unteransicht der Anordnung gemäß 4A.
  • 5 einen Querschnitt durch ein Halbleitermodul, das zwei jeweils ein Außengewinde aufweisende Anschlussblöcke enthält, von denen jeder mittels eines Verbindungsleiters stoffschlüssig und elektrisch leitend mit einem Schaltungsträger verbunden ist.
  • 6 eine perspektivische Draufsicht auf zwei Halbleitermodule, von denen jedes mehrere ein Innengewinde aufweisende Anschlussblöcke enthält, an denen eine Leiterplatte aufgeschraubt und dadurch elektrisch leitend mit den Halbleitermodulen verbunden ist.
  • Die Darstellung in den Figuren ist nicht maßstäblich. Sofern nicht anders angegeben, bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
  • 1 zeigt eine perspektivische Ansicht von zwei elektrisch leitenden Anschlussblöcken 5. Ein jeder der Anschlussblöcke 5 weist ein Gewinde 50, hier lediglich beispielhaft ein Innengewinde, mit einer Gewindeachse a auf. Außerdem ist zu jedem der Anschlussblöcke 5 ein Verbindungsleiter 4 mit einem ersten Abschnitt 41 und einem zweiten Abschnitt 42 vorhanden. An seinem ersten Abschnitt 41 ist jeder Verbindungsleiter 4 an einer ersten Verbindungsstelle mit dem zugehörigen Anschlussblock 5 fest und elektrisch leitend verbunden. Die erste Verbindungsstelle kann sich beispielsweise an der dem Gewinde 50 abgewandten Seite des Anschlussblocks 5 befinden, aber auch an anderen Stellen.
  • Die Verbindung zwischen einem Anschlussblock 5 und einem Verbindungsleiter 4 kann stoffschlüssig sein und beispielsweise als Lötverbindung (Hart- oder Weichlötverbindung) oder als Schweißverbindung (z. B. durch Laserschweißen hergestellt) ausgebildet sein. Im Fall einer Lötverbindung grenzt das verwendete Lot sowohl an den Verbindungsleiter 4 als auch an den Anschlussblock 5 an, und im Fall einer Schweißverbindung grenzt der Verbindungsleiter 4 an den Anschlussblock 5 an.
  • Die Verbindung zwischen einem Anschlussblock 5 und einem Verbindungsleiter 4 kann aber auch als Nietverbindung ausgebildet sein und beispielsweise im Taumelnietverfahren hergestellt werden. Hierzu wird der Verbindungsleiter 4 an seinem ersten Abschnitt 41 von der dem Innengewinde abgewandten Unterseite in eine vorgefertigte Bohrung oder sonstige Öffnung des Anschlussblocks 5 eingesetzt, so dass ein am ersten Abschnitt 41 ausgebildetes freies Ende des Verbindungsleiters 4 in eine weitere Bohrung des Anschlussblocks 5 hineinragt, die die Öffnung des oder für das Innengewinde bildet. Das Innengewinde kann vor oder nach der Durchführung des Taumelnietverfahrens im Bereich der weiteren Bohrung erzeugt werden.
  • Vor der Herstellung der Verbindung zwischen einem Anschlussblock 5 und einem Verbindungsleiter 4 kann der Verbindungsleiter 4 passend zu eine vorgegebenen Aufbau eines Halbleitermoduls, in dem er später verbaut wird, vorgebogen werden. Hierzu kann der Verbindungsleiter 4 beispielsweise aus einem Blech gestanzt und nachfolgend in eine gewünschte Endform gebogen werden, in der er letztlich auch in seinem im Halbleitermodul verbauten Zustand aufweist.
  • Grundsätzlich kann die Herstellung der Verbindung zwischen einem Anschlussblock 5 und dem Verbindungsleiter 4 vor oder nach dem Biegen des Verbindungsleiters 4 erfolgen, aber auch zwischen zwei Biegeschritten, in denen der Verbindungsleiter 4 jeweils gebogen wird.
  • Die zweiten Abschnitte 42 dienen dazu, den jeweiligen Verbindungsleiter 4 elektrisch und mechanisch mit einem Element eines Halbleitermoduls 100, beispielsweise einem Schaltungsträger 2 oder einem Halbleiterchip 1, zu verbinden. Die entsprechende Verbindung kann beispielsweise durch Löten, durch Sintern einer metallpulverhaltigen Paste (z. B. einer Paste, die ein Silberpulver enthält), durch Schweißen oder durch elektrisch leitendes Kleben mit einem Leitkleber hergestellt werden. Als Beispiel hierzu zeigt 2 einen Querschnitt durch ein Halbleitermodul 100.
  • Das Halbleitermodul 100 weist ein elektrisch isolierendes Modulgehäuse 6 auf, sowie einen Schaltungsträger 2, der mit dem Modulgehäuse 6, beispielsweise durch Kleben, stoffschlüssig verbunden ist.
  • Das Modulgehäuse 6 kann beispielsweise einen Gehäuserahmen 61 enthalten, sowie einen Gehäusedeckel 62, der auf den Gehäuserahmen 61 aufgesetzt ist.
  • Der Schaltungsträger 2 weist einen dielektrischen Isolationsträger 20 mit einer Oberseite 20t auf, auf die eine obere Metallisierungsschicht 21 aufgebracht ist, sowie eine optionale untere Metallisierungsschicht 22, die auf eine der Oberseite 20t abgewandte Unterseite 20b des dielektrischen Isolationsträgers 20 aufgebracht ist. Sofern eine obere und eine untere Metallisierungsschicht 21, 22 vorhanden sind, können sich diese also auf einander entgegengesetzten Seiten des Isolationsträgers 20 befinden. Die obere Metallisierungsschicht 21 kann bei Bedarf strukturiert sein, so dass sie Abschnitte 211, 212, 213, 214 aufweist, die beispielsweise zur elektrischen Verschaltung und/oder zur Chipmontage genutzt werden können. Der dielektrische Isolationsträger 20 kann dazu verwendet werden, die obere Metallisierungsschicht 21 und die untere Metallisierungsschicht 22 elektrisch voneinander zu isolieren.
  • Bei dem Schaltungsträger 2 kann es sich um ein Keramiksubstrat handeln, bei dem der Isolationsträger 20 als dünne Schicht ausgebildet ist, die Keramik aufweist oder aus Keramik besteht. Als Materialien für die obere Metallisierungsschicht 21 und, soweit vorhanden, die untere Metallisierungsschicht 22 eignen sich elektrisch gut leitende Metalle wie beispielsweise Kupfer oder Kupferlegierungen, Aluminium oder Aluminiumlegierungen, aber auch beliebige andere Metalle oder Legierungen. Sofern der Isolationsträger 20 Keramik aufweist oder aus Keramik besteht, kann es sich bei der Keramik beispielsweise um Aluminiumoxid (Al2O3) oder Aluminiumnitrid (AlN) oder Siliziumnitrid (Si3N4) oder Zirkoniumoxid (ZrO2) handeln, oder um eine Mischkeramik, die neben zumindest einem der genannten Keramikmaterialien noch wenigstens ein weiteres, von diesem verschiedenes Keramikmaterial aufweist. Zum Beispiel kann ein Schaltungsträger 2 als DCB-Substrat (DCB = Direct Copper Bonding), als DAB-Substrat (DAB = Direct Aluminum Bonding), als AMB-Substrat (AMB = Active Metal Brazing) oder als IMS-Substrat (IMS = Insulated Metal Substrate) ausgebildet sein. Die obere Metallisierungsschicht 21 und, soweit vorhanden, die untere Metallisierungsschicht 22 können, unabhängig voneinander, jeweils eine Dicke im Bereich von 0,05 mm bis 2,5 mm aufweisen. Die Dicke des Isolationsträgers 20 kann z. B. im Bereich von 0,1 mm bis 2 mm liegen. Größere oder kleinere als die angegebenen Dicken sind jedoch ebenfalls möglich.
  • Der Schaltungsträger 2 kann mit einem oder mehreren elektronischen Bauteilen 1 bestückt sein. Grundsätzlich können beliebige elektronische Bauteile 1 verwendet werden. Insbesondere kann ein solches elektronisches Bauteil 1 ein beliebiges aktives oder passives elektronisches Bauelement enthalten. Auch ist es möglich, dass in einem elektronischen Bauteil 1 ein oder mehrere aktive elektronische Bauelemente und ein oder mehrere passive elektronische Bauelemente miteinander integriert sind. Jedes elektronische Bauteil 1 weist eine erste Elektrode 11 und mindestens eine zweite Elektrode 12 auf.
  • Beispielsweise kann ein elektronisches Bauteil 1 als Halbleiterchip ausgebildet sein und einen Halbleiterkörper 10 aufweisen. Bei den Elektroden 11 und 12 kann es sich dann jeweils um eine Chipmetallisierung handeln, die auf den Halbleiterkörper 10 aufgebracht ist.
  • Ein Bauteil 1 kann zum Beispiel eine Diode enthalten, oder einen steuerbaren Halbleiterschalter, der über einen Steuereingang 13 (z. B. einen Gate- oder Basiseingang) angesteuert werden kann, beispielsweise einen MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), einen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), einen Thyristor, einen JFET (Junction Field Effect Transistor), einen HEMT (High Electron Mobility Transistor). Bei der ersten Elektrode 11 und der zweite Elektrode 12 eines Bauteils 1 kann es sich zum Beispiel um Anode bzw. Kathode, um Kathode bzw. Anode, um Source bzw. Drain, um Drain bzw. Source, um Emitter bzw. Kollektor oder um Kollektor bzw. Emitter des betreffenden Bauelements handeln.
  • Bei dem gezeigten Beispiel ist das Bauteil 1 an seiner Elektrode 12 stoffschlüssig und elektrisch leitend mit einem Abschnitt der oberen Metallisierungsschicht 21 verbunden. Die entsprechende Verbindung kann beispielsweise durch Löten, Sintern einer metallpulverhaltigen Paste (z. B. einer Paste, die ein Silberpulver enthält) oder durch elektrisch leitendes Kleben hergestellt werden. Je nach den Erfordernissen der auf dem Schaltungsträger 2 zu realisierenden Schaltung kann das eine elektronisches Bauteil 1 auf beliebige Weise an den Schaltungsträger 2 und/oder an anderen Elemente des herzustellenden Leistungshalbleitermoduls angeschlossen werden. In 2 ist hierzu lediglich beispielhaft ein Bonddraht 3 gezeigt, der durch Drahtbonden an einer ersten Bondstelle an einen Abschnitt der oberen Metallisierungsschicht 21 gebondet ist, sowie an einer zweiten Bondstelle an die erste Elektrode 11 des Bauteils 1.
  • Damit die auf dem Schaltungsträger 2 realisierte elektronische Schaltung von der Außenseite des Halbleitermoduls 100, d.h. von der Außenseite des Modulgehäuses 6 her anhand von Schraubverbindungen elektrisch kontaktiert werden kann, werden ein oder mehrere Anschlussblöcke 5 eingesetzt, deren Gewinde 50 jeweils von der Außenseite des Modulgehäuses 6 her zugänglich ist. Das Gewinde 50, hier lediglich beispielhaft ein Innengewinde, kann z. B. dazu genutzt werden, eine Leiterkarte, eine massive metallische Busschiene, einen Flachbandleiter, eine Anschlussöse etc. unter Verwendung des Gewindes 50 mit dem Anschlussblock 5 zu verschrauben.
  • Wie anhand des 2 dargestellten Halbleitermoduls 100 gezeigt ist, kann die modulinterne elektrische Verbindung zwischen dem Anschlussblock 5 und der auf dem Schaltungsträger 2 realisierten Schaltung unter Verwendung eines Verbindungsleiters 4 erfolgen, der, wie bezugnehmend auf 1 erläutert wurde, an seinem ersten Abschnitt 41 fest und elektrisch leitend mit dem Anschlussblock 5 und an seinem zweiten Abschnitt 42 elektrisch leitend mit der auf dem Schaltungsträger 2 realisierten Schaltung verbunden ist.
  • Ein Verbindungsleiter 4 kann an seinem zweiten Abschnitt durch prinzipiell beliebige Verbindungstechniken elektrisch leitend mit der auf dem Schaltungsträger 2 realisierten Schaltung verbunden werden. Bei dem gezeigten Beispiel sind die Verbindungsleiter 4 jeweils an ihrem zweiten Abschnitt 42 mit einem Abschnitt der oberen Metallisierungsschicht 21 des Schaltungsträgers 2 verbunden. Diese Verbindungen können zum Beispiel als stoffschlüssige Verbindungen ausgebildet sein, beispielsweise als Lötverbindungen, als Klebeverbindungen unter Verwendung eines elektrisch leitenden Klebers, als Schweißverbindung (beispielsweise hergestellt durch Laserschweißen oder durch Ultraschallschweißen). Im Fall einer Löt- bzw. Klebeverbindung wird als Verbindungsmittel ein Lot bzw. ein Leitkleber eingesetzt, das sowohl an den zweiten Abschnitt 42 als auch an die obere Metallisierungsschicht 21 angrenzt.
  • Ebenso ist es beispielsweise möglich, einen Verbindungsleiter 4 an seinem zweiten Abschnitt 42 auf dieselbe Weise anstelle mit der oberen Metallisierungsschicht 21 mit der ersten Elektrode 11 des Bauteils 1 zu verbinden.
  • Wie in 2 ebenfalls dargestellt ist, kann ein erster Anschlussblock 5 (der linke der beiden dargestellten Anschlussblöcke 5) über einen ersten Verbindungsleiter 4 auf die erläuterte Weise elektrisch an den Steuereingang 13 angeschlossen sein, was vorliegend lediglich beispielhaft über einen Abschnitt 213 der oberen Metallisierungsschicht 21 und einen Bonddraht 3 erfolgt, während ein zweiter Anschlussblock 5 (der rechte der beiden dargestellten Anschlussblöcke 5) über einen zweiten Verbindungsleiter 4, ebenfalls auf die erläuterte Weise, elektrisch an den Lastanschluss des Bauteils 1 angeschlossen ist, der beim Betrieb des Halbleitermoduls 100 das Bezugspotential zur Ansteuerung des aufweist. Wie vorliegend gezeigt ist, kann es sich bei diesem Lastanschluss um den ersten Lastanschluss 11 handeln. Dieser ist, elektrisch leitend und lediglich beispielhaft über einen Bonddraht 3, mit einem Abschnitt 212 der oberen Metallisierungsschicht 21 verbunden, an dem auch der zweite Abschnitt 42 des zweiten Verbindungsleiters 4 befestigt ist. Der zweite Anschlussblock 5 kann beispielsweise einen Hilfsanschluss zur Ansteuerung des Bauteils 1, z. B. einen Hilfsemitteranschluss, darstellen.
  • Zur Herstellung eines Halbleitermoduls 100 kann eine Einheit mit einem Anschlussblock 5 und einem Verbindungsleiter 4, der mit dem Anschlussblock 5 wie unter Bezugnahme auf 1 erläutert an seinem ersten Abschnitt fest und elektrisch leitend mit dem Anschlussblock 5 verbunden ist, vorgefertigt werden.
  • Außerdem kann der Schaltungsträger 2 optional mit einem oder mehreren elektronischen Bauelementen 1 vorbestückt und danach mit dem Gehäuse 6 oder einem Gehäuserahmen 61 oder einer Gehäuseseitenwand verbunden werden. Nachfolgend kann die vorgefertigte Einheit mit dem Anschlussblock 5 und dem mit diesem verbundenen Verbindungsleiter 4 elektrisch leitend mit der auf dem Schaltungsträger 2 realisierten Schaltung verbunden werden, beispielsweise indem der Verbindungsleiter 4 an seinem zweiten Abschnitt 42 wie erläutert an die obere Metallisierungsschicht 21 oder die erste Elektrode 11 gelötet, geschweißt oder elektrisch leitend geklebt wird.
  • Um zu erreichen, dass sich der zweite Abschnitt 42 des Verbindungsleiters 4, bevor dieser mit der Schaltung verbunden wird, an der korrekten Position befindet, kann die Einheit mit dem Verbindungsleiter 4 und dem Anschlussblock 5 so an dem Gehäuse 6 oder einem Gehäuseteil (z.B. dem Gehäuserahmen 61 oder einer Gehäuseseitenwand) befestigt sein, dass der zweite Abschnitt 42 des Verbindungsleiters 4 beim Anbringen des vorbestückten Schaltungsträgers 2 an dem Gehäuse 6 bzw. dem Gehäuseteil an die korrekte Zielposition gelangt, so dass nur noch die Verbindung zwischen dem zweiten Abschnitt und der Schaltung hergestellt werden muss, ohne dass eine weitere Positionierung des zweiten Abschnitts 42 relativ zur Schaltung (d.h. relativ zur vorgegebenen Befestigungsstelle) vorgenommen werden muss.
  • Die Befestigung der Einheit mit dem Verbindungsleiter 4 und dem Anschlussblock 5 an dem Gehäuse 6 oder dem Gehäuseteil kann dadurch erfolgen, dass die Einheit in eine Halterung 60 des vorgefertigten Gehäuses 6 bzw. des vorgefertigten Gehäuseteils eingesetzt (z. B. geclipt) oder gleich bei der Herstellung des Gehäuses 6 bzw. des Gehäuseteils (durch Spritzgießen) in dieses eingespritzt wird, so dass das Gehäuse 6 bzw. der Gehäuseteil eine integrierte Halterung 60 aufweist. Mit Hilfe einer entsprechenden Anzahl von Halterungen 60 kann ein Gehäuse 60 oder ein Gehäuseteil mit zwei oder mehr Einheiten vorbestückt werden, von denen jeden einen Anschlussblock 5 und einen mit diesem verbundenen Verbindungsleiter 4 aufweist.
  • Um im Fall von zwei oder mehr solchen Einheiten eine niederinduktive Leiterführung zu erreichen, können zwei Abschnitte von Verbindungsleitern 4 verschiedener Einheiten über eine Strecke 40 parallel zueinander geführt werden, wie dies beispielhaft in 1 gezeigt ist, welche zwei solche Einheiten in der Anordnung zueinander zeigt, in der sie sich auch bei dem fertigen Halbleitermodul 100 befinden, sowie in 2 und auch den nachfolgenden Figuren. Die Strecke 40 kann beispielsweise eine Länge L40 von wenigstens 30 mm aufweisen, z. B. ca. 33 mm. Dabei ist die Länge L40 entlang der Verlaufsrichtung der parallel geführten Abschnitte und mittig zwischen diesen zu ermitteln. Die parallel geführten Abschnitte können gerade und/oder gekrümmt verlaufen. Soweit Krümmungen vorhanden sind, ist die Länge L40 auch entlang der Krümmungen zu ermitteln. Im Bereich der Strecke 40 weisen die parallel geführten Abschnitte einen Abstand d40 auf. Dieser kann beispielsweise kleiner oder gleich 5 mm, kleiner oder gleich 1 mm oder gar kleiner oder gleich 0,5 mm gewählt werden. Durch die erläuterte abschnittweise Parallelführung lässt sich einem Bauteil 1 eine zwischen die Anschlussblöcke 5 der beiden Einheiten angelegte Steuerspannung zur Ansteuerung des Bauteils 1 niederinduktiv und mit geringer Störanfälligkeit zuführen.
  • Bei einer oder beiden der Einheiten, bei denen zwei Abschnitte der Verbindungsleiter 4 parallel geführt sind, kann der jeweilige Verbindungsleiter 4 an seiner dem Anschlussblock 5 derselben Einheit abgewandten Seite einen Abschnitt 45 aufweisen, der sich an den Streckenabschnitt 40 anschließt. Zu diesem Abschnitt 45 weist der Verbindungsleiter 4 der anderen Einheit keinen dazu parallel geführten Abschnitt auf, wodurch sich eine erhöhte Induktivität ergibt. Daher ist es vorteilhaft, den Abschnitt 45 möglichst kurz zu halten. So kann beispielsweise jede Stelle des Abschnitts 45 in keiner zur Oberseite 20t parallelen Richtung weiter als ein Abstand L45 von dem Streckenabschnitt 40 entfernt sein. Der Abstand L45 kann beispielsweise kleiner als 37 mm gewählt werden, oder gar kleiner als 2 mm.
  • Gemäß noch einem anderen Aspekt ist es zur Erzielung einer niederinduktiven Führung eines Verbindungsleiters 4 vorteilhaft, wenn dieser einen zur Oberseite 20t parallel verlaufenden Abschnitt aufweist, der beispielsweise eine Länge von wenigstens 30 mm aufweisen kann, und dessen Abstand h4 von der oberen Metallisierungsschicht 21 kleiner oder gleich 9 mm beträgt. Dieses Kriterium kann nicht nur für ein Verbindungsleiter 4 einer einzelnen Einheit gelten, sondern insbesondere auch bei den Verbindungsleitern 4 zweier Einheiten mit parallel geführten Abschnitten ihrer Verbindungsleiter 4 für jeden der parallel geführten Abschnitte.
  • 3 zeigt noch verschiedene Ansichten der beiden bereits in 1 dargestellten Einheiten, ebenfalls in der Anordnung zueinander, in der sie sich auch bei dem fertigen Halbleitermodul 100 befinden.
  • Entsprechend zeigen die 4A, 4B und 4C eine perspektivische Draufsicht, eine Seitenansicht bzw. eine perspektivische Ansicht von unten desselben Abschnitts eines Modulgehäuses 6 mit einer Seitenwand 61, an dem die beiden anhand der 1 und 3 erläuterten Einheiten mit Hilfe von Halterungen 60 wie vorangehend erläutert befestigt sind.
  • Zwar waren die Gewinde 50 der Anschlussblöcke 5 bei den vorangehenden Beispielen als Innengewinde ausgebildet, allerdings können sie ebenso als Außengewinde ausgebildet sein. Ein Beispiel hierfür ist anhand eines in 5 dargestellten Halbleitermoduls 100 gezeigt, dessen Aufbau im Übrigen dem des Halbleitermoduls 100 gemäß 2 entspricht. Selbstverständlich kann bei einem Halbleitermodul 100 auch wenigstens ein Anschlussblock 5 verwendet werden, dessen Gewinde 50 als Innengewinde ausgebildet ist, sowie wenigstens ein weiterer Anschlussblock 5, dessen Gewinde 50 als Außengewinde ausgebildet ist.
  • Grundsätzlich ist es bei der vorliegenden Erfindung vorteilhaft, wenn die Anschlussblöcke 5 und die Verbindungsleiter 4 eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Beispielsweise kann ein Anschlussblock 5 aus Kupferlegierungen bestehen oder einen Anteil von wenigstens 90 Gewichts% Kupfer aufweisen.
  • Ebenso kann ein Anschlussblock 5 aus anderen Materialien bestehen oder andere Materialien aufweisen. Beispiele für geeignete Materialien sind bleifreies Messing (z.B. CuZn39Pb3), Zerspanungsmessing, Edelstahl (z.B. nach DIN EN 10088-3 X8CrNiS18-9), Stahl (auch oberflächenvernickelt), oder Bronze (z.B. CuSn6 oder CuPb1P). Ein Verbindungsleiter 4 kann aus Metall, z.B. aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, bestehen und/oder einen Anteil von wenigstens 90 Gewichts% Kupfer aufweisen.
  • Bei allen Varianten der Erfindung kann die Gewindeachse a des Gewindes optional senkrecht zur Oberseite 20t des Isolationsträgers 20 verlaufen.
  • 6 zeigt noch eine perspektivische Ansicht von zwei Halbleitermodulen 100, auf die eine Leiterplatte 200 aufgesetzt und bei einem jeden der Halbleitermodule 100 an mehreren Anschlussblöcken 5 unter Verwendung von Verbindungsschrauben 205, die jeweils in das Innengewinde eines Anschlussblocks eingeschraubt sind, mechanisch und elektrisch mit dem betreffenden Halbleitermodul 100 verbunden ist. Auf entsprechende Weise könnte natürlich auch nur ein einzelnes Halbleitermodul 100 mit einer Leiterplatte 200 verbunden werden. Bei den dargestellten Halbleitermodulen 100 sind die Gewinde 5 jeweils als Innengewinde ausgebildet. Grundsätzlich könnte bei einem Halbleitermodul 100 jedoch auch bei einem, mehreren oder sämtlichen seinen Anschlussblöcken 5 das Gewinde 50 als Außengewinde ausgebildet sein. Soweit eine Leiterplatte 200 mit ein Anschlussblock 5 verschraubt wird, dessen Gewinde 50 ein Außengewinde ist, wird anstelle einer Verbindungsschraube 205 eine Schraubenmutter verwendet, die auf das Außengewinde aufgeschraubt wird.
  • Anstelle mit einer Leiterplatte 200 kann ein Halbleitermodul 100 auf analoge Weise auch mit einer metallischen Busschiene, mit einem Flachbandleiter oder mit einer Anschrauböse verschraubt und dadurch elektrisch angeschlossen werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • DIN EN 10088-3 [0051]

Claims (14)

  1. Leistungshalbleitermodul, das aufweist: ein Modulgehäuse (6); einen Schaltungsträger (2) mit einem dielektrischen Isolationsträger (20) und einer oberen Metallisierungsschicht (21), die auf eine Oberseite (20t) des dielektrischen Isolationsträgers (20) aufgebracht ist; ein Halbleiterbauelement (1), das auf dem Schaltungsträger (2) angeordnet ist; und einen elektrisch leitenden Anschlussblock (5), der ein Gewinde (50) aufweist, das von der Außenseite des Modulgehäuses (6) her zugänglich ist; und einen Verbindungsleiter (4), der einen ersten Abschnitt (41) aufweist, an dem er an einer ersten Verbindungsstelle fest und elektrisch leitend mit dem Anschlussblock (5) verbunden ist, sowie einen zweiten Abschnitt (42), an dem er an einer zweiten Verbindungsstelle stoffschlüssig und elektrisch leitend mit dem Schaltungsträger (2) und/oder mit dem Halbleiterbauelement (1) verbunden ist.
  2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, bei dem der Verbindungsleiter (4) an der ersten Verbindungsstelle an den Anschlussblock (5) gelötet, geschweißt, lasergeschweißt oder genietet ist.
  3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Verbindungsleiter (4) an der zweiten Verbindungsstelle an den Schaltungsträger (2) oder an das Halbleiterbauelement (1) gelötet, gesintert, geschweißt, ultraschallgeschweißt oder elektrisch leitend geklebt ist.
  4. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Verbindungsleiter (4) abschnittweise in das Modulgehäuse (6) oder in einen Teil des Modulgehäuses (6) eingespritzt oder eingesetzt ist und dadurch fest mit dem Modulgehäuse (6) oder dem Teil des Modulgehäuses (6) verbunden ist.
  5. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Isolationsträger (20) eine Keramik aufweist oder aus einer Keramik besteht.
  6. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Gewinde ein Innengewinde oder ein Außengewinde ist.
  7. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Gewinde eine Gewindeachse aufweist, die senkrecht zur Oberseite (20t) verläuft.
  8. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Anschlussblock (5) einstückig ausgebildet ist.
  9. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Anschlussblock (5) aus einem einheitlichen Material oder einer homogenen Materialzusammensetzung besteht.
  10. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem elektrisch leitenden weiteren Anschlussblock (5), der ein weiteres Gewinde (50) aufweist, das von der Außenseite des Modulgehäuses (6) her zugänglich ist; und einem weiteren Verbindungsleiter (4), der einen weiteren ersten Abschnitt (41) aufweist, an dem er an einer weiteren ersten Verbindungsstelle fest und elektrisch leitend mit dem weiteren Anschlussblock (5) verbunden ist, sowie einen weiteren zweiten Abschnitt (42), an dem er an einer weiteren zweiten Verbindungsstelle stoffschlüssig und elektrisch leitend mit dem Schaltungsträger (2) und/oder mit dem Halbleiterbauelement (1) verbunden ist; wobei der Verbindungsleiter (4) und der weitere Verbindungsleiter (4) über eine Länge (L40) von wenigstens 30 mm parallel geführt sind.
  11. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 10, bei dem die Verbindungsleiter (4) in dem Bereich, in dem sie parallel geführt sind, einen Abstand von höchstens 5 mm aufweisen.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines elektrisch leitenden Anschlussblocks (5), der ein Gewinde (50) aufweist, Bereitstellen eines Verbindungsleiters (4), der einen ersten Abschnitt (41) und einen zweiten Abschnitt (42) aufweist; Bereitstellen eines Modulgehäuses (6); Bereitstellen eines Schaltungsträgers (2), der einen dielektrischen Isolationsträger (20) aufweist, sowie eine obere Metallisierungsschicht (21), die auf eine Oberseite (20t) des dielektrischen Isolationsträgers (20) aufgebracht ist; Bereitstellen eines Halbleiterbauelements (1); Bestücken des Schaltungsträgers (2) mit dem Halbleiterbauelement (1); Herstellen einer festen und elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem Anschlussblock (5) und dem Verbindungsleiter (4) an dessen erstem Abschnitt (41); Herstellen einer stoffschlüssigen und elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem Schaltungsträger (2) oder dem Halbleiterbauelement (1) und dem Verbindungsleiter (4) an dessen zweitem Abschnitt (42). Anordnen des Anschlussblocks (5) und des mit dem Halbleiterbauelement (1) bestückten Schaltungsträgers (2) an dem Modulgehäuse (6) derart, dass das Halbleiterbauelement (1) in dem Modulgehäuse (6) angeordnet und das Gewinde (50) von der Außenseite des Modulgehäuses (6) her zugänglich ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Bereitstellen des Verbindungsleiters (4) und das Bereitstellen des Modulgehäuses (6) erfolgt, indem das Modulgehäuse (6) durch Spritzgießen hergestellt und der Verbindungsleiter (4) dabei in das Modulgehäuse (6) eingespritzt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Modulgehäuse (6) oder ein Teil (61) des Modulgehäuses (6) durch Spritzgießen hergestellt und dabei mit einer Halterung (60) versehen wird, in die der Verbindungsleiter (4) nach der Herstellung des Modulgehäuse (6) oder des Teils (61) des Modulgehäuses (6) eingesetzt wird.
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