DE102019112935A1 - Halbleitermodul - Google Patents

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Abstract

Ein Halbbrückenmodul (1) umfassend ein Substrat (2), das eine innere Lastbahn (11), zwei dazwischenliegende Lastbahnen (12, 14) und zwei äußere Lastbahnen (10, 13) umfasst, wobei ein externer Anschluss auf einer der dazwischenliegenden Lastbahnen (12, 14) montiert ist, ein externer Anschluss (3, 4) auf einer der äußeren Lastbahnen (10, 13) montiert ist und ein externer Anschluss (5) auf der inneren Lastbahn (11) montiert ist; wobei Halbleiterschalter (101, 12, 105, 106) auf den äußeren Lastbahnen (10, 13) montiert sind und elektrisch mit der dazwischenliegenden Lastbahn (12) verbunden sind; und wobei Halbleiterschalter (103, 104, 107, 108) auf den dazwischenliegenden Lastbahnen (12, 14) montiert sind und elektrisch mit der inneren Lastbahn (11) verbunden sind.

Description

  • Halbleiterleistungsmodule finden in der Industrie breite Anwendung. Beispielsweise kann ein derartiges Leistungsmodul zum gesteuerten Schalten von starken Strömen verwendet werden und kann in Leistungswandlern (wie etwa Invertern) zum Umwandeln von DC in AC oder umgekehrt oder zum Umwandeln zwischen verschiedenen Spannungen oder Frequenzen von AC verwendet werden. Solche Inverter werden in Motorsteuerungen oder -schnittstellen zwischen der Leistungsgenerierung oder -speicherung oder einem Leistungsverteilungsgitter verwendet.
  • Das Halbleiterleistungsmodul ist dafür ausgelegt, zwei Hauptcharakteristika zu erfüllen: hohe Leistungsumwandlungseffizienz und hohe Leistungsdichte. Faktoren wie Lebensdauer, Kosten und Qualität werden ebenfalls berücksichtigt. Um eine hohe Leistungsdichte zu erzielen, können Hochleistungs-Halbleiter mit großem Bandabstand, wie etwa Siliziumcarbid(SiC)-Halbleiterschalter verwendet werden, da sie standardmäßige siliziumbasierte Halbleiterschalter, zum Beispiel IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) im Allgemeinen übertreffen. SiC-Bauelemente legen dem Design des Leistungsmoduls unter thermischem und elektrischem Standpunkt hohe Anforderungen auf. Die Halbleiter mit großem Bandabstand (z.B. SiC-Halbleiterschalter) besitzen die Charakteristik, dass sie schnell schalten, was bedeutet, dass der Übergang von der Leitung zum Blockiermodus nur einige wenige Nanosekunden benötigt.
  • Das schnelle Schalten in Elektronikschaltungen verursacht in Kombination mit Streuinduktanzen ein Spannungsüberschwingen, wenn solche Halbleiterleistungsmodule verwendet werden. Dieses Spannungsüberschwingen erhöht die Schaltverluste und kann EMI-Emissionen durch Nachschwingen verursachen. Da Stromgradienten während des Schaltens hoch sind, muss die Streu-/parasitäre Induktanz der ganzen Baugruppe so klein wie möglich sein.
  • SiC-MOSFETs werden als die Halbleiterschalter in Anwendungen verwendet, wo durch die Anwendung höchste Effizienz in einem kleinen Bauvolumen erforderlich ist. SiC-MOSFETs zeigen schnelle Schaltgeschwindigkeiten und einen niedrigen Einschaltwiderstand zur gleichen Zeit. Da SiC-Wafer in der Herstellung teuer sind und es bei aktuellen Herstellungsprozessen schwierig ist, Komponenten mit einem akzeptablen niedrigen Kristallfehlerausmaß herzustellen, sind die Die typischerweise sehr klein (beispielsweise 5-25mm2). Dies hält die Ausbeuteverluste niedrig, beschränkt aber den Gesamtstrom, den ein SiC-Halbleiterschalter durchlassen kann. Um hohe Ausgangsleistungen zu erzielen, müssen mehrere dieser kleinen Halbleiterschalter (beispielsweise MOSFETs) parallel betrieben werden. In Anwendungen wie etwa Kraftfahrzeugleistungsumwandlung benötigt die parallele Verwendung von mehreren Halbleiterschaltern Raum in dem Halbleiterleistungsmodul, was potentiell größere Module ergibt. Jedoch ist in einem Fahrzeug der Raum kostbar und das Vergrößern der Größe von Modulen stellt im Allgemeinen keine Option dar. Es ist deshalb ein großer Vorteil, wenn das innovative Design von Layouts sowohl mehrere Halbleiterschalter parallel, einen ausgeglichen (symmetrischen) Betrieb, eine niedrige Streuinduktanz als auch eine geringe Gesamtlayoutgröße berücksichtigen kann.
  • Kurze Darstellung der Erfindung
  • Somit besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Leistungsmoduls, das das simultane Schalten und einen ausgeglichenen Betrieb von mehreren Halbleiterschaltern parallel, niedrigere Streuinduktanzen und einen stabileren und effizienteren Betrieb als gegenwärtig erhältliche Leistungsmodule aufweisen kann.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die obigen und andere Aufgaben durch das Bereitstellen eines Leistungsmoduls erfüllt, das eine Halbbrücke bereitstellt, wobei das Leistungsmodul umfasst: mindestens ein Substrat, das eine innere Lastbahn, zwei dazwischenliegende Lastbahnen und zwei äußere Lastbahnen umfasst; wobei die innere Lastbahn länglich ist und sich im Wesentlichen über das mindestens eine Substrat in einer ersten Richtung erstrecken kann; wobei ein externer Anschluss auf mindestens einer der dazwischenliegenden Lastbahnen an einem Ende des Leistungsmoduls in der ersten Richtung montiert ist; wobei ein externer Anschluss auf mindestens einer der äußeren Lastbahnen montiert ist und ein externer Anschluss auf der inneren Lastbahn montiert ist; wobei die externen Anschlüsse an dem anderen Ende des Leistungsmoduls zu dem auf mindestens eine der dazwischenliegenden Lastbahnen montierten externen Anschluss in der ersten Richtung montiert sind; wobei Halbleiterschalter auf den äußeren Lastbahnen montiert sind und elektrisch mit der dazwischenliegenden Lastbahn verbunden sind; und wobei Halbleiterschalter auf den dazwischenliegenden Lastbahnen montiert sind und elektrisch mit der inneren Lastbahn verbunden sind.
  • Das Substrat kann eine Isolierbasis umfassen, wobei leitende Bahnen die an der Isolierbasis angebrachte erforderliche Schaltungsanordnung bilden sollen. Ein geeignetes Substrat kann ein DBC(Direct Bonded Copper)-Substrat sein, das aus zwei leitenden Kupferschichten auf beiden Seiten einer isolierenden Keramikschicht ausgebildet ist. Zu anderen geeigneten Substraten können ein DBA (Direct Bonded Aluminium) oder andere Substrate, die auf dem Gebiet gut bekannt sind, zählen.
  • Der Ausdruck „Bahn“ wird hier verwendet, um eine Leiterbahn zu spezifizieren, die aus einer Metallschicht ausgebildet ist, die einen Teil des Substrats bildet und durch einen Spalt von anderen Bahnen getrennt ist. Der Ausdruck „Lastbahn“ wird hier verwendet, um eine Bahn zu spezifizieren, die für das Führen eines großen Stroms geeignet ist, wie etwa der, der die elektrische Last liefert, für die das Leistungsmodul Strom liefert. Die Eignung für große Ströme kann eine Kombination aus der Breite der Bahn und der Dicke der Bahn sein, die eine große Querschnittsfläche bilden und somit dem Durchtritt von großen Strömen ohne unnötige Erwärmung gestatten.
  • Der Ausdruck „Halbleiterschalter“ wird hier so verwendet, dass er ein beliebiges einer Anzahl von bekannten Halbleiterschaltbauelementen beinhaltet. Zu Beispielen für solche Bauelemente zählen Thyristoren, JFETs, IGBTs und MOSFETs, und sie können auf traditioneller Siliziumtechnologie oder Technologie mit großem Bandabstand wie Siliciumcarbid (SiC) basieren.
  • Der Ausdruck „montiert“ wird hier so verwendet, dass er die ständige Verbindung eines Bauelements mit einer Bahn bedeutet, und er kann eine elektrisch leitende Verbindung beinhalten. Zu Mitteln für solche Verbindungen zählen Löten, Hartlöten und Sintern.
  • Der Ausdruck „elektrisch verbunden mit“ wird hier so verwendet, dass er die Verbindung eines Teils des Bauelements mit einer entfernten Bahn oder einem anderen Bauelement bedeutet. Traditionellerweise wird diese Form von Verbindungen unter Verwendung von metallischen Drahtbonds, Aluminium umfassend, hergestellt. Jedoch können auch andere Metalle wie etwa Kupfer verwendet werden. Der Ausdruck deckt auch die Verwendung von Bändchen- oder Bandverbindungen, geflochtenen Bändern unter Verwendung von festen Metallstrukturen wie etwa Clips oder Sammelschienen ab.
  • Das Layout der Lastbahnen kann um eine sich in der ersten Richtung erstreckende Linie symmetrisch sein.
  • Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls kann jede dazwischenliegende Lastbahn einen ersten länglichen Arm umfassen, der sich in der ersten Richtung zwischen der äußeren Lastbahn und der inneren Lastbahn bezüglich einer zweiten Richtung im rechten Winkel zur ersten Richtung erstreckt, und einen zweiten länglichen Arm, der sich in der ersten Richtung zwischen der äußeren Lastbahn und dem Rand des Substrats bezüglich der zweiten Richtung erstreckt, wobei mindestens ein Halbleiterschalter auf einer äußeren Lastbahn montiert und elektrisch mit einem zweiten länglichen Arm einer der dazwischenliegenden Lastbahnen verbunden sein kann.
  • Zusätzlich oder alternativ kann die innere Lastbahn einen dritten länglichen Arm umfassen, der sich in der ersten Richtung zwischen der ersten dazwischenliegenden Lastbahn und dem Rand des Substrats bezüglich der zweiten Richtung erstreckt, und einen vierten länglichen Arm, der sich in der ersten Richtung zwischen der zweiten dazwischenliegenden Lastbahn und dem Rand des Substrats bezüglich der zweiten Richtung erstreckt, wobei mindestens ein Halbleiterschalter auf einer dazwischenliegenden Lastbahn montiert und elektrisch mit einem länglichen Arm der inneren Lastbahn verbunden sein kann.
  • Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann das Leistungsmodul ein Gatekontaktpad umfassen, das zentral in einer Gruppe von Halbleiterschaltern positioniert ist und wobei sich Gateverbindungen radial von dem Gatekontaktpad zu den Halbleiterschaltern erstrecken können.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann ein externer Gatekontaktanschluss auf der externen Oberfläche des Leistungsmoduls platziert sein und sich im Wesentlichen orthogonal zu der Ebene des Substrats erstrecken.
  • Figurenliste
  • Die Erfindung lässt sich anhand der hier unten angegebenen ausführlichen Beschreibung umfassender verstehen. Die beiliegenden Zeichnungen sind nur als Darstellung angegeben, und somit beschränken sie nicht die vorliegende Erfindung. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:
    • 1 eine Perspektivansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls;
    • 2 eine Draufsicht einer Ausführungsform des Substrats 2, die Teil des in 1 gezeigten Leistungsmoduls 1 bildet;
    • 3 eine Draufsicht einer alternativen Ausführungsform des Substrats 2, das Teil des in 1 gezeigten Leistungsmoduls 1 bildet;
    • 4 eine Draufsicht einer anderen Ausführungsform des Substrats des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 1; und
    • 5 eine Draufsicht einer anderen Ausführungsform des Substrats des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 1.
  • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • Nunmehr ausführlich bezugnehmend auf die Zeichnungen zum Zweck des Veranschaulichens von bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 1 in 1 gezeigt. Das gezeigte Leistungsmodul 1 umfasst ein Substrat 2 innerhalb des Körpers des Leistungsmoduls. Das Leistungsmodul 1 ist ausgelegt zum Bereitstellen einer Halbbrückenschaltung, und dazu sind drei DC-Leistungsanschlüsse 3, 4, 5 und zwei AC-Leistungsanschlüsse 6, 7 am entgegengesetzten Ende der Kapselung vorgesehen. Das Substrat 2 und die mit ihm verbundene Schaltungsanordnung sind zusammen mit den internen Abschnitten der Leistungsanschlüsse 3, 4, 5, 6, 7 in dieser Ausführungsform in einer Formmasse 22 gekapselt. Alternative Ausführungsformen sind möglich, wo das Substrat an einer Basisplatte angebracht und/oder innerhalb eines Rahmens montiert ist, der danach mit Silikongel gefüllt und mit einem Deckel fertiggestellt wird. Außerdem ist es möglich, mehrere Substrate innerhalb eines einzelnen Package zu montieren, um ein mehrere Halbbrücken enthaltendes Leistungsmodul bereitzustellen.
  • 2 zeigt eine Ausführungsform des Substrats 2, das Teil des in 1 gezeigten Leistungsmoduls 1 ist. Das Substrat kann beispielsweise ein DCB(Direct Copper Bonding)-Substrat sein, das eine als ein Isolator wirkende zentrale Keramikschicht umfasst und auf beiden Seiten mit einer Kupferschicht beschichtet ist. Bei einigen Ausführungsformen wird die untere Kupferschicht vollständig gelassen, während die obere Kupferschicht geätzt wird, um eine Anzahl von getrennten leitenden Bahnen auszubilden, die die erforderlichen Schaltungen bilden. Auf den Bahnen sind Komponenten wie etwa Halbleiterschalter montiert.
  • Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform gibt es eine innere Lastbahn 11, zwei dazwischenliegende Lastbahnen 12, 14 und zwei äußere Lastbahnen 10, 13. Die innere Lastbahn 11 ist länglich und erstreckt sich im Wesentlichen über das Substrat 2 in einer ersten Richtung 8. AC-Anschlüsse 6, 7 sind auf den dazwischenliegenden Lastbahnen 12, 14 an einem Ende des Leistungsmoduls in der ersten Richtung 8 montiert. DC-Anschlüsse 3, 4, 5 sind auf den äußeren Lastbahnen 10, 13 und der inneren Lastbahn 11 montiert. Die DC-Anschlüsse 3, 4, 5 sind an dem anderen Ende des Leistungsmoduls zu den AC-Anschlüssen 6, 7 montiert. Halbleiterschalter 101, 102, 105, 106 sind auf den äußeren Lastbahnen 10, 13 montiert und sind elektrisch mit der dazwischenliegenden Lastbahn 12 mit Hilfe von Drahtbindungen verbunden und Halbleiterschalter 103, 104, 107, 108 sind auf den dazwischenliegenden Lastbahnen 12, 14 montiert und sind elektrisch mit der inneren Lastbahn 11 mit Hilfe von Drahtbindungen verbunden. Bei dieser Ausführungsform umfassen die Halbleiterschalter SiC(Siliziumcarbid)-MOSFETs. Die Verwendung von anderen Arten von Halbleiterschaltern ist ebenfalls möglich, beispielsweise IGBTs. Jede Menge von oben beschriebenen Halbleiterschaltern kann aus mehr als zwei Halbleiterchips bestehen.
  • Die in 2 gezeigte Ausführungsform ist um eine sich in der ersten Richtung 8 erstreckende Linie 23 symmetrisch.
  • 3 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform des Substrats 2, das Teil des in 1 gezeigten Leistungsmoduls 1 bildet.
  • Der signifikante Unterschied zwischen diesen beiden Ausführungsformen besteht darin, dass die dazwischenliegenden Lastbahnen 12, 14 hier verlängerte Arme umfassen, die die äußeren Lastbahnen 10, 13 teilweise umgeben und die den auf den äußeren Lastbahnen montierten Halbleiterschaltern eine alternative Route für die Drahtbindungen gestatten, die mit den dazwischenliegenden Lastbahnen verbinden. Jede zwischenliegende Lastbahn 12, 14 umfasst einen ersten länglichen Arm 15, der sich in der ersten Richtung 8 zwischen der äußeren Lastbahn 10, 13 und der inneren Lastbahn 11 bezüglich einer zweiten Richtung 9 im rechten Winkel zur ersten Richtung 8 erstreckt, und einen zweiten länglichen Arm 16, der sich in der ersten Richtung 8 zwischen der äußeren Lastbahn 10, 13 und dem Rand des Substrats 2 bezüglich der zweiten Richtung 9 erstreckt. Außerdem umfasst die innere Lastbahn 11 einen dritten länglichen Arm 17, der sich in der ersten Richtung 8 zwischen der ersten dazwischenliegenden Lastbahn 12 und dem Rand des Substrats 2 bezüglich der zweiten Richtung 9 erstreckt, und einen vierten länglichen Arm 18, der sich in der ersten Richtung 8 zwischen der zweiten dazwischenliegenden Lastbahn 14 und dem Rand des Substrats 2 bezüglich der zweiten Richtung 9 erstreckt. Diese sich von der inneren Lastbahn erstreckenden Arme gestatten den Halbleiterschaltern 101, 105, die auf einer dazwischenliegenden Lastbahn 12, 14 montiert sind, eine alternative Route für die Drahtbindungen, die sie mit der inneren Lastbahn verbinden.
  • Die sich von der inneren Lastbahn erstreckenden Arme verlaufen unter den AC-Anschlüssen 6, 7, aber ohne einen elektrischen Kontakt mit ihnen herzustellen.
  • 4 zeigt eine andere Ausführungsform des Substrats des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 1.
  • Hier ist das Layout topologisch ähnlich dem in 3 gezeigten. In dieser Ausführungsform sind Gatekontaktpads 19 zentral innerhalb von Gruppen von Halbleiterschaltern 101-102, 103-104, 105-106, 107-108 positioniert, und die Gateverbindungen zwischen dem Gatekontaktpad und den Gateverbindungen auf der oberen Oberfläche jedes der Halbleiterschalter erstrecken sich radial von dem Gatekontaktpad 19 zu den Halbleiterschaltern 101-108.
  • 5 veranschaulicht eine andere Ausführungsform des Substrats des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 1. Hier ist das Layout der Bahnen ähnlich dem in 2 gezeigten.

Claims (5)

  1. Leistungsmodul (1), das eine Halbbrücke bereitstellt, wobei das Leistungsmodul umfasst: mindestens ein Substrat (2), das eine innere Lastbahn (11), zwei dazwischenliegende Lastbahnen (12, 14) und zwei äußere Lastbahnen (10, 13) umfasst; wobei die innere Lastbahn (11) länglich ist und sich im Wesentlichen über das mindestens eine Substrat (2) in einer ersten Richtung (8) erstreckt; wobei ein externer Anschluss (6, 7) auf mindestens einer der dazwischenliegenden Lastbahnen (12, 14) an einem Ende des Leistungsmoduls in der ersten Richtung (8) montiert ist; wobei ein externer Anschluss (3, 4) auf mindestens einer der äußeren Lastbahnen (10, 13) montiert ist und ein externer Anschluss (5) auf der inneren Lastbahn (11) montiert ist; wobei die externen Anschlüsse (3, 4, 5) an dem anderen Ende des Leistungsmoduls zu dem auf mindestens einer der dazwischenliegenden Lastbahnen in der ersten Richtung (8) montierten externen Anschluss (6, 7) montiert ist; wobei Halbleiterschalter (101, 12, 105, 106) auf den äußeren Lastbahnen (10, 13) montiert sind und elektrisch mit der dazwischenliegenden Lastbahn (12) verbunden sind; und wobei Halbleiterschalter (103, 104, 107, 108) auf den dazwischenliegenden Lastbahnen (12, 14) montiert sind und elektrisch mit der inneren Lastbahn (11) verbunden sind.
  2. Leistungsmodul nach Anspruch 1, wobei das Layout der Lastbahnen (10, 11, 12, 13, 14) um eine sich in der ersten Richtung (8)
  3. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede dazwischenliegende Lastbahn (12, 14) einen ersten länglichen Arm (15) umfasst, der sich in der ersten Richtung (8) zwischen der äußeren Lastbahn (10, 13) und der inneren Lastbahn (11) bezüglich einer zweiten Richtung (9) im rechten Winkel zur ersten Richtung (8) erstreckt, und einen zweiten länglichen Arm (16), der sich in der ersten Richtung (8) zwischen der äußeren Lastbahn (10, 13) und dem Rand des Substrats (2) bezüglich der zweiten Richtung (9) erstreckt; wobei die innere Lastbahn (11) einen dritten länglichen Arm (17) umfasst, der sich in der ersten Richtung (8) zwischen der ersten dazwischenliegenden Lastbahn (12) und dem Rand des Substrats (2) bezüglich der zweiten Richtung (9) erstreckt, und einen vierten länglichen Arm (18), der sich in der ersten Richtung (8) zwischen der zweiten dazwischenliegenden Lastbahn (14) und dem Rand des Substrats (2) bezüglich der zweiten Richtung (9) erstreckt; wobei mindestens ein Halbleiterschalter (101, 105) auf einer äußeren Lastbahn (10, 13) montiert ist und elektrisch mit einem zweiten länglichen Arm (16) einer der dazwischenliegenden Lastbahnen (10, 13) verbunden ist; und wobei mindestens ein Halbleiterschalter (103, 107) auf einer dazwischenliegenden Lastbahn (12, 14) montiert ist und elektrisch mit einem länglichen Arm (17, 18) der inneren Lastbahn (11) verbunden ist.
  4. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Gatekontaktpad (19) zentral in einer Gruppe von Halbleiterschaltern (101-102, 103-104, 105-106, 107-108) positioniert ist, und wobei sich Gateverbindungen von dem Gatekontaktpad (19) zu den Halbleiterschaltern (101-108) radial erstrecken.
  5. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein oder mehrere externe Gatekontaktanschlüsse (20) auf der externen Oberfläche des Leistungsmoduls platziert sind, sich im Wesentlichen orthogonal zu der Ebene des Substrats (2) erstreckend.
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